無線充電運輸平臺節能技術研究

陳冠楠,崔宏耀,趙智飛,楊磊光,陶莉煒

(黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院,哈爾濱 150050)

就現階段的技術而言，絕大多數無線充電設備是根據電磁感應原理[1]進行能量傳輸的。無線充電技術是近年來比較主流的新技術之一。它依靠電磁場將供電端的電能輸送給電池，從而對其進行充電。智能車在近幾年不斷發展，通過傳感器、微處理器、自動控制等技術實現無人駕駛，在無線充電的基礎上加上小車的合理布局以減輕車子的重量，使得小車在環保和節能方面實現雙結合，以體現小車的應用價值，同時也是現在社會發展的需要。文中將重點闡述無線充電節能智能車的技術研究。

1 平臺的總體方案

本平臺主要由無線充電模塊、超級電容組儲電模塊、車模結構模塊、小車智能尋跡單片機模塊組成。滿足設計的車模結構平臺以S9KEAZ128ZAMLK單片機[2]最小系統為控制單元，利用無線充電接收模塊進行無線電磁感應獲取電量，并儲存到超級電容組中；以電磁傳感器作為小車采集道路信息的傳感器，漫反射式紅外光電傳感器作為避障的傳感器，MPU6050陀螺儀模塊作為轉角或轉速的傳感器，霍爾元件作為停車的傳感器。單片機在檢測超級電容并存儲電量后自啟動，利用電磁傳感器采集的道路信息以及障礙、停車等信號進行控制，將PWM信號輸出到左右電機上差速完成(例如在直道、彎道、十字路口、障礙前等)各項目標動作。系統的總體設計框架如圖1所示。

圖1 系統總體設計框架

2 硬件電路模塊

2.1 無線充電接收模塊

圖2 充電接收功率控制電路

圖3 充電電流檢測電路

圖4 降壓電路

圖5 升壓電路

圖6 電磁運算放大電路

2.2 電源升降壓模塊

超級電容電源模塊是根據小車在規定運輸線完成運輸項目任務所需電量來制作。對于不同的任務以及規定車的運輸線來選擇不同的電容組。由于在運輸過程中電壓降低，為充分利用電容的電量，實現在低電壓的狀態下單片機仍然可以進行運作,并且在小于電機的最小驅動條件下，保證可以正常完成任務所需要的升降壓設計。圖4和圖5為小車升降壓電路。

2.3 電磁運算放大模塊

圖6為電磁運算放大電路，在接有20 kHz、100 mA的交變電流源的信號發生器的電磁引導線中，利用電磁傳感器來檢測通電引導線所發出的磁場強度，再將此信號送入電磁運算放大模塊中進行信號放大。LM358芯片是一款雙運算放大器，內部包括兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源，也適用于雙電源工作模式[7]，電源電流與電源電壓無關，為低功耗電流。

2.4 電機驅動模塊

在電機驅動模塊的設計中要考慮電量的充分利用，文中采用74LS244驅動器加7843MOS管的方式，圖7為電機驅動電路，在本設計中與上層板(MCU最小系統與外圍器件板)起到電子隔離作用，但是相比以較高速行駛的小車，需要在速度的控制策略下不停地加減速，以快速完成任務，而本車在行駛過程的同時也要考慮到小車節能，所以對于速度并沒有采用經常性的加減速，而是采用全程接近勻速。

3 車模總體結構

一個良好的車模結構是小車行駛以及是否節能的重要因素。本設計思路是節能輕便，一方面在保證小車剛度的同時做到重量輕便，另一方面在不影響小車的運行及實現一些動作的同時，將有些輔助結構簡單化，用輕便、剛度滿足需要的材料代替笨重的鋼鐵[8]。在CATIA軟件下繪制車模的主體結構以及一些主要零件的結構，利用精度較高的快速成型技術打印，并通過不同的填充率來增加強度。在未確定運輸平臺的節能性下，先搭建1臺具有測速功能并用4個100 F的電容組[9]提供電能的實驗小車。符合運行但未考慮節能的情況下用來確定小車的經濟性，根據參數確定適合的驅動輪半徑、傳動比。利用萬用表測量電壓、秒表計時以及測量尺來確定參數。在程序上設置速度得到速度參數，經過多組實驗，通過公式J=0.5×C×U×U計算得到各個參數，如表1所示。

4 軟件控制

4.1 系統軟件設計流程

本控制系統以S9KEAZ128ZAMLK作為最小系統控制板，包括充電控制、電磁尋跡的信號采集、處理、輸出控制等，并通過軟件編程實現各個功能。開始時進行電量的接收，先檢測充電電壓、電流，得到功率，經過PID控制，輸出PWM控制IR2104開關。當充電電量達到設定值后自啟動，通過電磁傳感器檢測道路上的各個關鍵位置的電磁場場強大小，利用程序設計對不同道路元素進行識別，以及對電容電壓的監測，來控制輸出的補償系數，保證小車速度接近勻速，并對兩側電機控制轉向，快速穩定地通過此段道路。軟件設計流程如圖8所示。

圖7 電機驅動電路

表1 運輸平臺實驗的各參數

圖8 系統軟件設計流程

4.2 充電恒功率與升降壓的控制

在小車沒有電的情況下，要進行充電的恒功率控制，所以開始時就要保證單片機可以正常工作，因此，需要對單片機供電，而從接收線圈過來的電壓比較大，此時還要有12 V降壓電路、12 V穩5 V穩壓電路。對充電過程中的充電接收線圈的電壓、電流以及電容電壓的ADC采集，根據檢測電阻阻值換算和計算公式P=U·I得到反饋的實際充電功率以及發射端設置的固定發射功率作差為輸入，用反饋的電容電壓、充電過程的功率控制PWM的輸出，控制IR2104的工作來驅動兩個MOS管7843開斷進行充電，檢測充電電壓、電流進行反饋控制，對超級電容組進行充電，從而基本實現恒功率充電[10-11]。

對于升降壓的控制需要升降壓切換電路，只要實時地監控電容的電壓，在充電完成、電容電量充足的情況下，ADC檢測電容電壓達到設定值，關閉充電控制電路，并切換到降壓電路，避免單片機工作電壓過高而燒毀器件。利用I/O口的高低電平切換對TPS7350控制進行降壓穩壓處理，實現升降壓控制。在小車行進過程中未達到電壓設定值之前一直做降壓處理，當達到電壓設定值時通過給一個I/O口高低電平，對TPS7516進行升壓穩壓處理，并且關閉控制降壓的I/O口，使單片機正常供電。

4.3 避障通訊和路徑控制

利用漫反射紅外光電傳感器[12]檢測前方是否有路障。漫反射紅外光電傳感器又稱為光電開關，其只有兩種狀態0或1，工作為NPN常開，當遇到前方有障礙時由高電平變為低電平，檢測距離可調(80 cm)，在實際測試時超過80 cm，但超過130 cm將失效。由于此設計要考慮節能，所以在速度達到適合、較快的前提下，在100 cm之內可以快速檢測，并且能夠按照調試過程中的路徑規劃避障。利用障礙左右兩邊的場地大小、陀螺儀以及路障之前的速度設定角度來避障。根據小車在路障之前的速度，利用陀螺儀設定小車需要轉動的角度以及障礙物左右兩邊的場地大小進行避障。利用NRF24L01無線模塊進行通訊[13]。當前方的運輸車輛遇到故障，而后方車輛檢測到前方有障礙，受場地影響無法進行繞行時，后面車輛的到來導致此段道路遇到擁堵，需要等待，將此情況發送到主控室進行處理。

5 結束語

文中完成了無線充電節能車的硬件設計、總體結構設計、軟件設計三方面的工作。小車可以在電容組無電的情況下實現無線充電的接收以及控制工作，可以自動啟動并尋跡、自動避障，可接近勻速、低功耗的方式跑完全程。無線充電、節能、智能車符合當今社會的發展趨勢，對未來的生活和工作都具有重大意義。