无线充电寻迹小车的设计

高志强 赵海茹 杨扬

摘要：随着现代社会智能化程度的提高，无线充电技术也得到了很快的发展和普及，在可再生资源逐渐减少的当下，设计一款能够进行无线充电的小车具有重要的实践意义。本设计中的小车由无线充电模块、寻迹模块、超级电容储能模块、备用电源以及控制器组成。无线充电模块和整流滤波电路为小车提供稳定的5V直流电压，该电压经过BUCK电路实现对超级电容的恒功率充电。当停止充电时，单片机控制系统工作，小车开始运动，并在巡线过程中进行动态充电;当无线充电得到的电能消耗完后，自动启用备用电源，小车按照轨迹运动。

关键词：无线充电;寻迹;BUCK电路

中图分类号：TP391.4                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0215-03

0  引言

无线充电技术最初起源于尼古拉·特斯拉提出过的一种无线能量传输的构想，通过一个磁场来传输能量。磁场在一定条件下线圈是完全可以直接在空气中传输能量的，无线充电技术就是利用这种现象来完成能量传输的，线圈通过与充电设备之间形成共振，达到无线充电的目标[1]。现在，人们经常接触的无线充电技术大部分为无线充电的手机和笔记本电脑。随着新能源汽车数量的增多以及普及程度的提高，与传统汽车相比，新能源汽车的问题在于能源消耗完后的补充，传统汽车只需要几分钟就可以补充完毕，而新能源汽车往往需要好几个小时，这就是新能源汽车的最大弊端之一。基于此，本文希望用无线充电技术解决这一问题，设计一款靠无线充电来提供能源的小车。此时有人会担心这种方法是否会对处在充电场中的人产生不良影响，这种担心是多余的。因为电量只能在同一频率共振的线圈之间传输，并不会将电能传输到人体上，因此无线充電技术的充电场并不会对人或者其他动植物造成不良影响[2]。为了提高小车的续航能力，本文设计了一款动态无线充电寻迹小车，能够做到边跑边充电，大大提高了小车的续航能力。希望这项技术能够尽早的普及到新能源汽车的充电上，到那时应该会有更多的人会选择更环保的新能源汽车作为家用车。

1  系统硬件设计

本文设计的无线充电寻迹小车由无线发射电路、无线接收电路、控制器、整流滤波电路、稳压电路、BUCK电路、BUCK-BOOST电路、红外传感电路等组成。

1.1 控制器

与C51系列单片和MSP430单片机相比，Arduino控制板具有价格便宜、结构简单、功能强大、性价比高的优点，所以本文使用Arduino作为控制器。

1.2 无线发射接收电路

输入5V/1A电源输出的直流电经过ZVS变换后发送给发射线圈，为了提高效率，增强能量转换效率，需要对发射线圈和接收线圈的谐振频率进行测量和调整。（图1）

发射端先由稳压电源供电，发射线圈L2上下两端的电压都是5V。

按下开关S1，此时Q1和Q2这2个MOS的栅极开始充电，由于有C28的存在，使得Q1的栅极电容更大，于是Q2先导通，此时L2的上端被拉到0V。由于D2的存在，会给Q1的栅极放电，使得Q1关断。L2线圈会产生由下往上的电流。

此时由于有C2的存在，L和C会谐振，L2给C2充电，谐振半个周期后，C2会给L2放电，此时L2会产生反向电流，也就是向下流的电流。此时上端的电压是0V，L2下端会先出现0V的电压，此时由于D1的存在，会使得Q2关断，电感上端会得到电源电压5V，D2的右端原本拉到0V的现在达到了5V，所以Q1的栅极会由于R1的作用，达到5V，此时D1会导通。电感下端会产生0V电压，因此L2就产生了由上往下的电流。Q1和Q2由此反复导通，会使得线圈上得到反复变化的电流。

1.3 BUCK-BOOST电路

采用TI的电源管理芯片TPS63020设计Buck-boost型直流开关稳压电源。额定输入直流电压在1.8-5.5V之间时，额定输出直流电压Uo为3.3V，在可调电压范围内输出电流为Iomax<100mA的DC-DC电源系统。该电源系统具有输出过流过压保护、欠压锁定等功能。通过在末级输出添加合适的电容滤波使纹波电压降低。

在轻负载电流时，因为设备处于省电模式，输出电压通常比标称输出电压高出3%。这为负载瞬态期间的电压下降提供了额外的余量从轻载到满载。

1.4 BUCK电路

本文中选用P沟道的MOS管，肖特基二极管作为续流，搭建一个通用的BUCK电路，如图2所示。P沟道MOS管选用AO公司的-30V/55mΩ的AO4011，最低开启电压为2V。肖特基选用40V/5A的SS54，电压降约0.5V，能够满足设计要求。

当单片机PWM口输出高电平瞬间，端口电压为3.3V，经过1K的限流电阻，三极管Q3的B极得到0.7V电压，Q3导通，使得稳压管D7的下端得到0V，D7上端得到0.7V，此时MOS管Q1的GS电压为Vin-0.7V，处于打开状态。

当单片机PWM口输出低电平的瞬间，端口电压为0V，三极管Q3的B极为0V，Q3关断，此时MOS的GS两端由于有等效电容的存在，需要放电回路才能把电压释放掉。由于R1的作用，使得Q2的Vbc电压大于0.7V，可以处于导通状态，因此产生了电容快速放电的回路，使得MOS可以迅速关断。

1.5 BUCK电流采样电路

本文采用检测电路对输出的电压、电流进行闭环控制。为便于控制器采集，分压电阻产生的电压经过同相比例放大器放大后，输入到MCU的ADC端口进行采样。

检测电路的工作电流为1A，对输出的电压采用电阻分压法进行实时检测，因采样电压直接输送给单片机的ADC进行检测，单片机内部自带的检测的最高电压为3.3V，LM358由3.3V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之间有1.2V压差[9]。所以能输出的最大电压为2.1V，经过R8这个0.02Ω的电阻的电流为1A时得到的电压为0.02V。

而这个电压过小，单片机难以檢测得到，所以要对此电压进行运放，且运放的放大倍数应该小于：

设计中采用反向比例放大器，令R19为25K、R11为1K，则放大倍数为25倍，满足设计要求。因此当电流为1A时，运放输出电压为0.5V。

电流采样滤波，电流流经电阻R8，设计中使用的是开关电源，PWM频率为20kHz，电流采集电路需要屏蔽比开关频率更大的干扰进来，所以设置截止频率小于开关频率20K的十倍以下。在硬件设计时引入一阶滤波的思路，用于滤除开关频率。

电阻R12与C8构成一个低通滤波器。

将数据代入截止频率公式得：

故该RC滤波符合采样要求。

1.6 电压检测电路

电压检测电路输入最大电压为5V，而单片机的采样电压最高为3.3V，故电压采样电阻比例应该小于1.5，这里取R2为100K、R5为10K，当输入电压为5V时，单片机检测到的电压是0.46V。电压分压检测电路，需要加RC去滤除开关信号的影响，截止频率为3.66kHz。

1.7 黑线检测电路

黑线检测电路，发射管的电压降至1.2V时，进行3.3V供电，限流电阻为150Ω，三个红外发射管同时工作的电流就为 48mA。设计中还增加了低功耗处理，添加了P沟道运行管线，对其供电进行控制。此外，还将红色LED灯放在接收端做压线提示。

1.8 电机驱动电路

本文在N20电机开关管设计的时候挑选N沟道的MOS管，并使用肖特基二极管来达成续流效果的目的，为了避免电路受损，同时还设计控制MOS管栅极产生出的反压效应，这样就创建出一个标准的驱动电流体系。

2  系统软件设计

为了使系统得到一个稳定的电能，就需要用控制器来与BUCK电路组成一个闭环控制。当控制器得到BUCK电路中的输入电压与电流信息后，就会对输入功率进行计算，通过计算功率的结果来判断怎样更改PWM信号，以得到一个正确的PWM信号来保持BUCK电路的输出功率是系统所需的恒定值，本文设计的恒功率控制流程如图3所示。

3  系统测试

3.1 无线充电接收电路测试

首先要认真检查无线充电部分硬件的连接，并保证硬件电路没有虚焊，查看硬件连接是否与设计的电路图一致，然后利用电源和滑动变阻器对无线充电的效率进行测量计算。

为了便于计算，在测试中把电源电压调至5V，电流做1A的限流操作，多次改变滑动变阻器的阻值使U2的电压为5V，并记录测试过程中的各数据，测试数据及计算结果如表1所示。

通过表1数据计算可得，无线充电的平均效率为48.5%。

3.2 BUCK充电测试

超级电容充电测试的电路中调整电源电压为5V，由无线充电的测试得知BUCK电路所得到的电流最高为0.49A，因此在测试过程中将电流限制在0.5A以下。测试时对超级电容进行一分钟的充电操作，充电一分钟后得到超级电容的电压为4.2V，通过计算知超级电容储存到的能量为88.2J。

3.3 BUCK-BOOST测试

使用上一步测试完成后的超级电容和电阻，对其进行放电测试。开始测量后观察U2的值是否稳定在3.3V，以确定BUCK-BOOST电路的功能是否正常，经过测试后得知，U2的值稳定在3.3V，表明该电路工作正常。

3.4 循迹功能测试

将小车置于有黑线和无线充电装置的跑道上，接通赛道中无线充电发射端的电源，给小车进行无线充电并启动小车，小车按照黑线运行;一段时间后备用电源指示灯亮起，表示小车在能量用完后能够自动切换备用电源。

4  总结

本设计将无线充电模块、寻迹模块、超级电容储能模块、备用电源和控制器搭建起来制作了能够无线充电的寻迹小车。通过实验证明小车可以实现以下功能：无线充电，通过控制无线接收端实现对超级电容恒功率充电;放电过程控制，当充电完成后能让超级电容电压接入BUCK-BOOST给系统供电;巡线控制，根据红外发射接收电路检测到的路况信息，控制左右电机使小车按照既定轨迹运动。

参考文献：

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