基于MSP430的电动小车动态无线充电系统

崔子龙 朱沛康 李熙然

摘  要：为进一步加深对电动汽车无线充电技术的研究，对该技术作更深层次的理解，文章设计了一种电动小车动态无线充电系统，所述装置由MSP430F169芯片、无线充电模块、电机驱动模块、超级电容储能模块和稳压模块五个部分组成，从而实现小车循迹前进、定点停车功能，并由超级电容通过稳压电路供电给小车系统及MSP430F169控制核心，进而控制小车的工作模式，实现设计要求。

关键词：MSP430F169芯片;动态无线充电;小车循迹;定点停车

Abstract：In order to further deepen the research on the wireless charging technology of electric vehicles and make a deeper understanding of the technology，this paper designs a dynamic wireless charging system for electric vehicles. The device is composed of MSP430F169 chip，wireless charging module，motor driving module，super capacitor energy storage module and voltage stabilizing module，so as to realize the functions of car tracking and fixed-point parking. And the super capacitor supplies power to the car system and MSP430F169 control core through the voltage stabilizing circuit to control the working mode of the car and realize the design requirements.

Keywords：MSP430F169 chip;dynamic wireless charging;car tracking;fixed-point parking

0  引  言

近年来，经济发展十分迅速，汽车作为主要的交通工具，为人们的生活带来便捷和舒适的同时，也带来了环境污染、能源消耗等许多负面影响。所以，加大新能源汽车的发展力度是实现节能减排的重要途径。但是在使用过程中发现有线充电还是存在着许多缺陷，如配套设施暂未普及、有线设备使用麻烦等[1]。于是，无线充电技术开始流行起来，国家十分重视对该项目的研究，其将为电动汽车行业提供良好的发展机遇。

无线充电技术是一种基于非直接接触方式，实现电能由电源侧传输至负载侧的电能传输技术，可以摆脱传输线束缚，实现无线动态充电。目前电动汽车无线充电技术主要采用磁场耦合方式，原理为在汽车行驶的道路上铺设发射线圈，使车辆在行驶过程中，由安装于汽车底部的接收线圈接收电能，为车载储能设备进行无线动态充电，从而提高汽车行驶距离。随着电力电子技术、蓄电池技术以及电动汽车整车技术的进步，无线充电技术在近些年得到了迅速发展，并展现出较强优势[2]。

为進一步加深对该技术的理解与应用，为我国节能减排事业做出贡献，本文设计了一种电动小车动态无线充电系统，可实现小车循迹前进、定点停车等功能，并通过测试结果验证了该系统的可行性，该系统对于无线充电系统的设计及应用具有十分重要的参考价值。

1  方案设计

自19世纪末无线电能传输的概念被提出，系统的尺寸与质量、传输功率、传输距离、方向性以及能量转换效率等一直是系统设计中需要重点考虑的因素。根据实际测试，以全车重量不小于250 g、外形尺寸不大于30 cm×26 cm、发射线圈与接收线圈之间的距离为5 mm作为初步设计条件。

本系统的结构框图如图1所示。

本装置由1台5 V的直流稳压电源供电，输出电流不大于1 A，并采用6节2.7 V、10 F的超级电容串联起来作为储能元件;以MSP430F169为核心芯片，实现小车的循迹前进、定点停车;并通过稳压电路，供电给小车系统及MSP430F169控制核心;红外对管检测黑色标记，转换为逻辑值输入MSP430F169，进而控制小车的工作模式，实现小车的转向与定点停车，以达到设计要求。

2  硬件设计

2.1  控制方案的选择

方案一：选择型号为MSP430F169的MCU作为控制器。MSP430F169是16-Bit RISC架构、最高运算速度8MIPS的单芯片微控制器，是具有低功耗特点的微控制器。

方案二：以数字信号处理器DSP为控制器。DSP28335内部功能结构有32位CPU、IEEE-754单精度浮点单元FPU、256 kB的Flash等存储器。但DSP28335具有较高功耗，常用于电力电子领域。

由于该系统采用超级电容储能，储电量有限，在满足设计需求的前提下，为减少电能损耗、提高用电效率，故选用方案一。

2.2  稳压电路方案的选择

方案一：采用如图2所示DC-DC稳压电路。滤波部分采用电容滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即可构成电容滤波电路，稳压部分采用稳压管稳压。该方案电路简单、容易调试，但效率较低。

方案二：采用DC-DC升压稳压电路。该电路具有线性稳压功能，不仅能够节约板级空间，而且能够在介于0.9 V至5.5 V的输入电压范围内提供高达96%的功率转换效率，同时该电路可生成稳定的输出电压，通过外部电阻分压器或片上固定的内部电阻分压器调整电压。

对于该系统的设计，能量转换效率是主要考虑的因素，为提高系统效率，故采用方案二。

2.3  储能元件的选择

方案一：选择100 F的超级电容，该电容储能大，由超级电容的充电曲线可知，额定电容量越大的超级电容充电速度越慢。

方案二：选择小容量的超级电容，超级电容单个耐压值为2.7 V，小容量超级电容器具有较快的充电速度。

为使小车在系统测试中，在充电时间一定的情况下，具有较快的充电速度，使行驶距离值更大，故选择方案二，采用小容量超级电容。小电容值虽然具有较快的充电速度，但也具有储存电能少、放电速度快的缺点。为满足系统正常运行、增加行驶距离，故应将电容进行串联，使总电容储能增大。根据多次测试，由6节10 F的超级电容串联起来作为储能元件，能满足系统运行要求。

2.4  无线充电电路设计

无线充电电路包括无线发射端电路和无线接收端电路，其中无线发射端电路设计采用BQ500212A无线电源芯片，无线接收端电路设计采用BQ51020无线电源芯片。采用无线充电发送装置和接收装置进行能量的传递，主要是为了解决传统充电方式中有线设备使用麻烦的问题，摆脱传输线的束缚，实现小车的无线动态充电。根据电磁感应原理，发射线圈通电后产生磁场，小车底部的接收线圈会因此产生感应电动势以及感应电流并储存在储能元件中，以供小车在定时自启动后行驶所使用的电能。

3  软件设计

3.1  程序设计流程

MCU的软件设计思路是通过红外对管检测黑色标记，转换为逻辑值输入MSP430F169，进而控制小车的工作模式，实现转向与定点停车。软件处理器是MSP430F169芯片，系统软件采用C语言开发，在IAR Embedded Workbench IDE环境下调试并实现功能。程序流程如图3所示，进入主程序并初始化后，判断按键值并执行相应的程序。软件程序设计采用模块化的结构，便于分析和实现功能。

3.2  部分源程序

4  系统测试

4.1  测试条件

本设计测试行驶区域示意图如图4所示。行驶区域为标准圆形轨道，其直径为70 cm，线宽≤2 cm，行驶引导线颜色为黑色，A、B、C、D四点是直径为4 cm的黑色圆点，均匀分布在圆形引导线上，四点上分别安装无线充电装置的发射线圈。

4.2  测试流程

首先将小车放置在A点，接通电源充电1 min;充电结束后，小车立即起动，沿引导线行驶至B点并自动停车，进行定点停车的测试。然后进行距离测试，小车初始位置与充电时间不变，小车自启动后，沿引导线行驶直至停车（行驶期间，4个发射线圈均不和接收线圈进行能量的传递），测量小车行驶距离L1。最后进行电能测试，小车初始位置与充电时间仍不变，1 min后小车自行起动，沿引导线单向行驶直至停车，行驶期间不允许停顿，且4个发射线圈轮流向接收线圈传能，3 min时如果小车仍在行驶，则断开电源，直至小车停车。测量小车此次行驶距离L2，计算距离差值L=L2-L1;测量直流稳压电源在小车开始充电到停车时间段内输出的电能W，计算K=L2/W，其中K表示消耗每Wh的电能所行驶的距离。

4.3  测试结果

以下数据可以说明，本次设计的电动小车动态无线充电系统，各项指标均在设计范围内，是符合要求的。距离测试表如表1所示，电能测试表如表2所示。

5  结  论

电动汽车行业在未来具有良好的前景，电动汽车无线充电技术更是发展迅速。为进一步加深对该技术的理解与应用，为我国节能减排事业做出贡献，本文设计了由MSP430F169芯片、无线充电模块、电机驱动模块、超级电容储能模块和稳压模块五个部分组成的电动小车动态无线充电系统，距离测试以及电能测试的测试结果均验证了该系统的可行性，故该系统对于无线充电系统的设计及应用具有十分重要的参考价值。

参考文献：

[1] 夏晨阳，赵书泽，杨颖，等.电动汽车无线充电系统研究综述 [J].广东电力，2018，31（11）：3-14.

[2] 高大威，王硕，杨福源.电动汽车无线充电技术的研究进展 [J].汽车安全与节能学报，2015，6（4）：314-327.

作者簡介：崔子龙（1998—），男，汉族，河南商丘人，本科，研究方向：能源与动力工程（水动）;朱沛康（1998—），男，汉族，河北邯郸人，本科，研究方向：电气工程及其自动化;李熙然（1999—），男，汉族，山东淄博人，本科，研究方向：能源与动力工程（水动）。