基于MSP430 的定點無線充電循跡小車系統

楊暢星，孫佳歡

（北方工業大學，北京，100144）

0 引言

近年來，我國堅持實施可持續發展戰略，大力發展新能源汽車產業，而充電技術作為電動汽車的一大核心產業，對于電動汽車領域的發展具有非常重要的戰略意義。目前市面上主流的充電方式有分散式充電樁、集中式充換電站和無線充電三種技術[1]。其中，無線充電技術既可以省去部分連接裝置的成本，還可以避免因反復拔插插座而出現的磨損或觸電等情況，具有較強的穩定性、安全性[2]，將無線充電技術應用于新能源汽車領域具有深遠的經濟和現實意義。

文獻[3]中設計的電動小車無線充電系統采用磁耦合諧振式傳輸技術傳輸能量，但其傳輸效率較低，能量損耗大，不便于應用。文獻[4]介紹了一種電動小車動態無線充電系統，在小車的行駛路徑中安裝數個無線充電發射裝置，在小車移動時持續發射能量，以實現對小車的動態無線充電，但過程中電磁兼容問題難以解決，同時未考慮水平偏移量對無線充電傳輸效率的影響，同樣不適用于實際工程。

本文基于低功耗單片機MSP430G2553 設計了一套無線充電循跡小車系統，其采用磁耦合諧振式無線充電技術，充電功率范圍大，充電距離適中，具有一定的水平抗錯位能力，且有效地提高了傳輸效率，在無線充電觀光車等近似領域具有一定參考價值。

1 系統設計

■1.1 系統總體設計思路

該系統的控制單元采用低功耗單片機MSP430G2553，用以控制電動小車的循跡行動以及充電過程。開始充電后，無線充電發射裝置將輸入的恒壓15V 且電流不大于0.5A 的直流電逆變為交流電，再通過磁耦合諧振式無線充電的方式發送出去。無線充電接收裝置將傳輸的交流電經倍壓整流后儲存在超級電容模組中，當充電時間滿 60s 時，停止充電，超級電容經DC-DC 變換為單片機和電機供電，單片機控制小車進行循跡運動。系統總體流程圖如圖1 所示。

圖1 總體設計流程圖

■1.2 系統方案論證

1.2.1 無線充電方式和諧振電路的選擇

目前無線充電系統共有三種：電磁感應式，磁耦合諧振式與磁場共振式。其中，電磁感應式與磁耦合諧振式是目前應用最為廣泛的兩種。電磁感應傳輸技術成熟，充電高效，目前廣泛應用于手機設備等，但由于傳輸距離較短，抗錯位能力較差，并不適合汽車的無線充電。而磁場共振式距離遠，方向性強，但充電功率較小。磁耦合諧振式技術充電功率范圍大，充電距離適中，并具備一定的抗橫向錯位能力。具有較好的適配性。

對于磁耦合諧振式無線充電系統，傳輸距離較大時，S-P型（串聯－并聯型）磁耦合諧振式無線電能傳輸系統具有較好的傳輸效果。但當傳遞距離較小時，S-S型（串聯－串聯型）磁耦合諧振無線電能傳輸系統的傳輸效率高，功率輸出大，且當負載較小時，SS 型的傳輸效率和功率具有較好的輸出效果[5～6]。所以對于該系統模型來說選用SS 型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統可以獲得更好的充電效果。

在SS 型磁耦合諧振系統中，充電效率會受到線圈繞法、大小、形狀以及發射與接收線圈的間距等因素影響。諧振耦合線圈繞法包括螺線管式線圈結構、可分離式變壓器結構和平板式線圈結構。對于小車來說，平板式線圈結構節省空間，位置固定，能提高發射線圈的效率。因此選用多股銅導線在磁片上繞成長半徑4.6cm，短半徑2.5cm 的橢圓形平板式線圈，磁片在無線充電系統中起到增大感應磁場和屏蔽線圈磁場的作用，防止在金屬電池中形成渦流損耗而發熱[7]。通過電感測量儀測得制成的發射線圈的電感約為32μH，接收線圈約為27μH，在系統中二者間距為1.4cm。

在實際過程中，系統會受到各種因素影響，往往使系統不能搭載較高的諧振頻率[3]。當系統的工作頻率略高于諧振頻率時，系統的損耗較小，經過反復調試，在該系統選擇的工作頻率約為80kHz 時，充電效率較高。

1.2.2 超級電容大小

與傳統電容器相比，超級電容可以在非常小的體積下實現法拉級電容量，選取能量密度較高的超級電容為小車供電能夠減輕車重，同時還具有功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬，大電流放電能力超強，能量轉換效率高等優點。理想情況下，用15V/0.5A 的電源供電，超級電容最多需容納450J 能量，根據公式：

計算得出C 的最大值是4F，可選擇將4 個5.5V/4F 串并聯組成11V/4F 的超級電容模組，以滿足系統所需[8]。

■1.3 硬件設計

1.3.1 無線充電發射端

發射端由CD4047 多諧振蕩器、IR2112 驅動器、半橋逆變電路和發射線圈等組成。PWM 控制信號由CD4047電路產生，如圖2 所示。當接入15V 直流電源時，通過CD4047 的1，2 引腳連接的由RP1、R1 和C1 構成的RC諧振網絡來控制諧振頻率f=1/2πRC，CD4047 內部自激振蕩產生兩路互補方波PWM，如圖3 所示。

圖2 方波發生電路

圖3 兩路互補方波PWM

使用IR2112 驅動芯片驅動半橋逆變電路實現電流逆變，如圖4 所示。為了防止上下橋臂IGBT 因為開關速度問題發生同時導通，在CD4047 輸出端設置死區電路，死區時間常數τ=RC=1μs，經死區電路后的PWM 波形如圖5 所示。IR2112電橋驅動器芯片內置專為自舉操作設計的浮動通道，其高端懸浮自舉電源，一組電源即可實現對上下端的控制，驅動由MOS 管Q1、Q2 組成的半橋逆變電路進行電流的逆變，實現由直流電到交流電的轉變，最后由發射諧振線圈發射。系統中采用的電源為穩壓限流源，為了增大發射線圈的功率，在發射線圈前端加入了由L1、C8 和C9 組成的LC濾波網絡。圖6 中1 通道為輸入直流源，2 通道為發射線圈中的交流輸出。

圖4 驅動電路及逆變電路

圖5 存在死區時間的兩路方波PWM

圖6 發射端輸入和輸出

1.3.2 無線充電接收端

接收模塊由副邊諧振、整流電路及超級電容組成。接收線圈接收到較低的交流電壓，通過倍壓整流的方式，使用耐壓較高的整流二極管和電容器，得到較大的直流電壓，為超級電容模組充電。當充電結束后，超級電容模組放電，PC817 的發光管發光，驅動光控晶閘管進入通態，使單片機開始工作，同時還起到了隔離保護的作用。圖7 為無線充電接收端電路圖。

圖7 無線充電接收端

1.3.3 MSP430G2553 單片機

該系統采用 MSP430G2553 單片機，當充電滿60s后，停止充電，降壓芯片LM2596S 將超級電容模組的輸出降壓后供給單片機和電機。單片機的循跡程序分析處理TCRT5000 紅外對管返回的數據，根據分析結果控制舵機，實現循跡行為。圖8 為單片機系統示意圖。

圖8 單片機系統示意圖

■1.4 軟件設計

當單片機定時結束后，MCU 產生持續的PWM 波對電機進行驅動。循跡設備檢測到電平變化后，執行循跡程序，處理紅外檢測返回的信息，再驅動舵機矯正方向，使小車進行循跡行駛。軟件設計流程圖如圖9 所示。

小車循跡主要是通過反射式紅外對管檢測黑線軌跡來完成的。小車行駛過程中，傳感器的紅外發射二極管不斷發射紅外光線。當紅外光線遇到白色地面時發生漫反射，反射光由紅外線接收管接收；若遇黑線，紅外光被吸收，紅外線接收管沒有訊號。紅外接收管將采集回的信號接到MC 的I/O 口上，MCU 通過不斷讀取I/O 口的高低電平狀態確定小車軌跡，進而改變舵機方向從而實現循跡功能。為了使小車順利通過圓角矩形軌跡的拐角，通過二級矯正的方法，在車頭處安裝4 個紅外對管，用以提高小車的循跡能力[9]。

圖10 小車實物圖

2 實驗數據及分析

將15V 的直流電源輸入電路中，充電60s，改變發射和接收線圈間前后偏移的距離，同時用數字萬用表測量超級電容，觀測電容電壓變化，通過E=0.5CU2求得實際儲存電能，以得出水平偏移距離對于充電效率的影響。理論上60s時間里充入的電能為450J，但是實際過程中超級電容的電壓變化范圍較大，電路工作不穩定，只有在40～60s 時輸入功率穩定，才能得出準確的效率。因此以40～60s 的效率作為系統的充電效率，多次測量后實驗數據如表1 所示。

表1 小車系統性能試驗數據表格

在實際測量中，小車到達充電站B 處時的平均水平位移約為0.5cm。由實驗數據可以得出，本文設計的基于MSP430 的定點無線充電循跡小車系統充電最高效率可達79.78%，充電速度快，具有一定的水平抗錯位能力，該系統有效地提高了傳輸效率。

3 結論

本文探討了一種可實現定點無線充電的循跡小車系統，通過磁耦合諧振的方式將15V直流電充入超級電容模組中，再經DC-DC 網絡為單片機供電，控制小車工作。經實驗驗證，該電動小車系統充電效率最高能達到79.78%，具有一定的水平抗錯位能力。通過本文的研究工作，以期為電動汽車無線充電技術提供一定技術參考。