陳新元，劉延飛，李昊，吳娜娜

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710038)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，綠色出行的理念深入人心，以節(jié)能平衡車為代表的新型代步工具走入千家萬戶，但充電方式一直是制約著平衡車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。在有線充電中直接暴露的導(dǎo)線不但占據(jù)空間，還存在很大的安全隱患。無線充電相比于有線充電，方式更加便捷、安全性也更高，還能夠快速高效地給平衡車充電，它解決了有線充電方式占據(jù)空間多和安全隱患大的問題。所以，無線充電方式創(chuàng)新優(yōu)化的研究具有很重要的意義。相比于普通的蓄電池，超級(jí)電容器具有能快速充放電、循環(huán)壽命長和功率密度高的特點(diǎn)，也在一些領(lǐng)域逐漸代替電池的功能[1]。本文設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容為儲(chǔ)電介質(zhì)的恒功率無線充電智能平衡小車，在理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體規(guī)劃、搭建無線充電平衡車模，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)車模進(jìn)行充電性能測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)是基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)控制的以超級(jí)電容為儲(chǔ)電介質(zhì)的恒功率無線充電智能平衡小車，由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、無線充電接收模塊、穩(wěn)壓模塊、超級(jí)電容模塊、電磁傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、陀螺儀、線性CCD攝像頭組成，軟件在Keil中編譯調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)各部分模塊的功能。在無線充電的發(fā)射端我們?cè)O(shè)置一個(gè)以30W恒定功率發(fā)射的發(fā)射線圈，無線充電接收模塊接收發(fā)射線圈的電流并經(jīng)過整流，限功率給超級(jí)電容組供電。同時(shí)電容組釋放的電能經(jīng)過穩(wěn)壓模塊和電源模塊給分別給電機(jī)和主控電路供電[2]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 理論計(jì)算

超級(jí)電容組的選型：

要先實(shí)現(xiàn)恒功率充電，不僅需要有恒功率控制電路，而且要根據(jù)超級(jí)電容的充電特性合理的對(duì)電容選型并設(shè)計(jì)超級(jí)電容組。在小車運(yùn)行過程中電容放電從初始電壓U始到閾值電壓U末所釋放出的能量為：

在此期間電容輸出維持了t時(shí)間的恒定電流I，根據(jù)Q=It，得到電壓變化是時(shí)間的函數(shù)：

對(duì)上式能量積分可得：

解此方程，并且考慮物理意義，選取較大的值作為要選取的電容的參考值，則：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路圍繞高效電能轉(zhuǎn)換和功率控制展開進(jìn)行設(shè)計(jì)，電磁傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、陀螺儀、線性CCD攝像頭選用常見小功率成品，這里不再贅述，無線充電接收電路、功率控制電路、電容充放電模塊和高效穩(wěn)壓電路等模塊設(shè)計(jì)方案如下。

3.1 無線充電接收電路設(shè)計(jì)

接收模塊由以T3168芯片為核心的電路系統(tǒng)搭載線圈組成。接收電路以T3168芯片為核心，由外圍的并聯(lián)諧振回路、整流回路和濾波電路組成。當(dāng)發(fā)射模塊的并聯(lián)諧振回路和接收模塊的并聯(lián)諧振回路同時(shí)諧振時(shí)，能量傳輸?shù)男蔬_(dá)到最大，接收線圈中接收到交流電后，經(jīng)整流、濾波，變換成為直流電輸出給電容組供電[4]。T3168無線充電接收電路原理圖如圖2所示。

圖2 T3168 無線充電接收電路原理圖

3.2 功率控制電路設(shè)計(jì)

在無線充電的發(fā)射端我們?cè)O(shè)定以50W恒定功率發(fā)射，在接收端限制用不超過30W的功率接收，所以為了避免接收功率超過30W并同時(shí)提高接收效率，設(shè)計(jì)采用基于BUCK斬波電路的降壓電路穩(wěn)定充電功率。電路采用BUCK電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用1個(gè)10mΩ/1W的采樣電阻配合AD8217采集充電電流，由此將電流值轉(zhuǎn)化成電壓值送入ADC通道，同時(shí)STC8A8K64S4A12也讀取超級(jí)電容的電壓值，相乘可得到當(dāng)前的充電功率[5]。BUCK降壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 BUCK 降壓電路電路原理圖

3.3 電容充放電模塊設(shè)計(jì)

與普通電容相比，很小體積的超級(jí)電容，電容量就可以達(dá)到法拉級(jí)別。相比于普通電池，過度充放對(duì)超級(jí)電容壽命的負(fù)面影響很小，并且在充放電過程中不需要特殊的控制電路。此外，超級(jí)電容具備高功率密度的特點(diǎn)，其功率密度相當(dāng)于普通電池的5～10倍[6]。在計(jì)算平衡車充放電的電流、電壓需求后，決定選擇1個(gè)由5個(gè)2.7V/60F超級(jí)法拉電容串聯(lián)組成的12V/12F的超級(jí)電容組作為儲(chǔ)電模塊[7]。其中一路電容組電路原理圖如圖4所示。

圖4 一路超級(jí)電容組電路原理圖

3.4 高效率穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

由于選取的超級(jí)電容組電壓變化范圍為0V～12V，為了對(duì)超級(jí)電容組輸出進(jìn)行穩(wěn)壓，我們選擇效率高達(dá)95%且靜態(tài)電流僅為50μA的高性能開關(guān)電源芯片TPS63070，此芯片輸出電流最大可達(dá)3A，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電流約為1.2A，其輸出電流已經(jīng)足夠小車行駛所需，穩(wěn)壓電路原理圖如圖5所示。

圖5 TPS63070 穩(wěn)壓電路原理圖

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 程序總體設(shè)計(jì)

軟件部分分主函數(shù)和定時(shí)中斷函數(shù)。其中主函數(shù)完成啟動(dòng)單片機(jī)、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)參數(shù)和界面顯示的功能。定時(shí)中斷函數(shù)是軟件的主要執(zhí)行部分，完成車輛的充電、電壓檢測(cè)和實(shí)時(shí)精確控制功能。

圖6 定時(shí)中斷程序流程圖

定時(shí)中斷函數(shù)流程圖如圖6所示，當(dāng)定時(shí)器觸發(fā)定時(shí)中斷時(shí)，首先通過線性CCD采集到的黑-白跳變點(diǎn)數(shù)識(shí)別斑馬線，完成出入庫的控制。偏航角的計(jì)算，為出入庫動(dòng)作的控制提供信息。

其次進(jìn)行電容組電壓的測(cè)量與判斷，電壓測(cè)量基于AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行以計(jì)算出當(dāng)前電容組的剩余電量，如果在充電階段，剩余電量達(dá)到設(shè)定的閾值并可以持續(xù)一段時(shí)間，系統(tǒng)將判斷為達(dá)到啟動(dòng)條件并發(fā)車。

發(fā)車之后，姿態(tài)傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換在主控機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制[8]，電磁傳感器采集的電磁信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后在主控機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，同時(shí)通過編碼器計(jì)算得到當(dāng)前車輛的速度進(jìn)行速度控制。所有的控制系統(tǒng)均采用比例-積分-微分系統(tǒng)[9]。

4.2 恒功率軟件控制方案

對(duì)于充電功率的軟件控制，縮短充電時(shí)間最有效的方法就是按照允許的最大恒定功率進(jìn)行充電，這就需要知道充電過程中最大功率，同時(shí)控制其功率以確保穩(wěn)定。

考慮到被控制的參量為功率，采用PI而不是PD控制以避免放大微分量[10]；在實(shí)現(xiàn)對(duì)功率控制的基礎(chǔ)上，采用逐步試探的方法，即從空載電壓開始逐步減小電壓，直至發(fā)射器報(bào)警得到最大功率點(diǎn)，求得最大功率，并保證控制在該功率進(jìn)行充電。恒功率控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 恒功率控制程序流程圖

5 充電性能測(cè)試

為了測(cè)試智能平衡小車的高效充電性能，在此設(shè)計(jì)了如下一組無線充電對(duì)照實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)組用本方案設(shè)計(jì)的恒功率充電智能平衡小車進(jìn)行無線充電，將超級(jí)電容組用放電裝置放電至電容組兩端電壓為0V，在無線充電區(qū)域內(nèi)進(jìn)行充電，從電容組兩端電壓為0V起開始計(jì)時(shí)充至指定電壓停表，記錄每次充電所用的時(shí)間。對(duì)照組采用直接整流直沖無恒功率充電電路的智能平衡小車，其余模塊和實(shí)驗(yàn)組相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1表2所示。

表1 恒功率充電組小車充電時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)表

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在同樣的充電要求下，恒功率無線充電所用的時(shí)間相比普通直沖的無線充電方式有明顯的縮短。

表2 對(duì)照充電組小車充電時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)表

6 結(jié)語

本文介紹了基于超級(jí)電容恒功率無線充電的智能平衡小車的設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)恒功率充電的電路和恒功率控制算法，完成了高效充電的功能。在充電性能測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)恒功率無線充電智能平衡小車的充電速度明顯優(yōu)于普通無線直沖的智能平衡小車，這在一定程度上為電動(dòng)平衡車節(jié)能設(shè)計(jì)提供一定的借鑒基礎(chǔ)。