无线充电小车.docx

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1、无线充电小车本系统以Tl公司TPS63020芯片为基础，设计了一外形精美、性能极高的无线充电电动车。发射器线圈放置在路面，无线充电接收器安装在小车底盘上，发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压电源供电。无线输电部分采用耦合谐振的原理，发射线圈发射640kHz的高频电磁脉冲，接受线圈由电感和电容进行串联接收电能，再由AC-DC变换得到5V稳定的直流电给超级电容充电，充电60s后，继电器开关吸合，超级电容经过一个稳压电路,持续给小车电机供电，使小车前进。无线充电发射电路接通电源的同时，发射电路初始化，在此期间，电磁铁通电使小车上的常闭触点动作，保证电容不会放电给小车电机，之后进行无线电流的传

2、输，无线电流传输结束后，电磁铁失效，常闭触点恢复，超级电容给小车电机供电，小车开始动作。关键词：无线输电，耦合谐振，变速箱，电磁开关。一、方案论证41、主控制器的方案论证及选择42、无线充电模块的方案论证及选择53、给法拉电容充电的方案论证及选择5二、理论分析及计算51、无线充电发射线圈电路的分析5二、理论分析与计算7(1)开关频率的选择7(2)线圈谐振电感计算7(3)同轴平行的空心线圈之间的互感计算8(4)整流电路部分元件的计算81、发射端逆变电路尽量选取效率高、功耗小的。82、合适的选取给电容充电的电路和电容的规格。83、尽量增强小车轮胎与木板之间的摩擦。84、让小车的重心在车前端正中间。

3、8三、电路与程序设计91、电路设计92、程序设计9四、测试方案与测试方法91、测试设备92、测试方法及数据93、测试结果分析10五、结论与心得10参考文献10附录11电路设计11(I)系统总体框图11(2)无线充电线圈发射及接收电路12(3)稳压电路13一、方案论证本系统主要由控制模块、直流稳压电源模块、无线充电发射模块、无线充电接受模块、整流模块、继电器模块、DC-DC变换模块，七个模块组成，下面分别论证这几个模块方案的选择。1、主控制器的方案论证及选择方案一：51单片机。该系列的单片机价格低廉、应用广泛、性能稳定、技术成熟，但运行速度较慢，片内资源较少，故并不适合本设计。方案二：使用ST公

4、司的STM32F103系列芯片其有最高72MHz工作频率，同时有2个12位模数转换器，Ius转换时间，同时具有低功耗模式，适合本次设计的无线充电发射模块所需的变频器变频频率的要求。由以上论证我们选择方案二2、无线充电模块的方案论证及选择方案一：电磁感应方式无线充电，我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，这项技术可以看作是分离式的变压器。方案二：电磁谐振无线充电，与电磁感应方式相比，电磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。方案三：电场耦合方式无线充电，相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：充电时设备的位置具备一定的自由

5、度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。由以上方案的论证以及对题目的理解，首先充电线圈的发射线圈是在小车下面，同时接收线圈是在小车上面，而且要求线圈重量和充电的效率，所以我们选择方案二。3、给法拉电容充电的方案论证及选择方案一：接受线圈经过整流后经过限流电阻直接给法拉电容充电。这种方法可以防止法拉电容开始充电时的过电流，但是会造成损耗。方案二：通过单片机控制，先恒定小电流充电，再恒压充电。这种方案可行但是还是无法解决单片机能耗问题。方案三：最简单的方案是接收到的交流点经过整流后直接给法拉电容充电。这种方案经过试验后发现是效率较高的一种方法。二、理论分析及计算

6、1、无线充电发射线圈电路的分析(1)主电路的拓扑分析VCC图1-1无线充电发射线圈电路图图中开关器件T采用MoSFET功率场效应管，Ll的阻抗足够大，流过它的电流为恒定值。Cl为外加电容，其作用是让开关管T工作在理想状态，起到辅助谐振作用，使开关管T零电压开通。C、R、L、构成的谐振负载回路。在稳态工作下，一个完整的开关导通过程分为4个阶段。电压调节电路图1-2无线充电接受线圈电路图接收端电路采用单项桥式整流电路，在单相桥式整流电路中，每一个回路中有2个二极管，共有四只二极管。在接收线圈两端u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终保持不变。设接收线圈两端分别为A和B,电流流出“+”、流入为

7、。如图所示，设接收端线圈两端电压为2=2sinm,其中U2为其有效值。(2)稳压电路分析GNDPS/SYNCFBEXVarTVixVOuTVIN1.2Ll1.2LlTPS302图1-3稳压电路稳压电路采用Tl公司TPS63020芯片TPS63020芯片是用于便携式电子产品的尺寸最小且性能最高的4A降压/升压转换器。此器件可以在1.8V至5.5V的输入范围内实现大电流和高效率，其放电可降到2.5V,并且具有出众的轻载效率。(3)控制模块电路分析Sta32flO3图1-4控制模块示意图主控制器我们使用stm32fl03,利用其两个IO口作为输出，一个IO口控制发射线圈中流过的电流的频率，一个IO口

8、控制继电器线圈使其完成充电60s之后的自启动功能。二、理论分析与计算(1)开关频率的选择本文设计的逆变主电路的频率达到IMHz以上，而一般IGBT的软开关频率不能满足设计要求，因此开关管选取MoSFET管。功率MoSFET管是单极性电压驱动型器件，具有工作频率高、安全工作区段宽及输入阻抗高等优点。因此，在满足电路耐压的前提下，应选择耐压较低、并且体内寄生电容小的MoSFET管。(2)线圈谐振电感计算品质因数计算公式：CRR谐振线圈电感量计算公式：Qr1.=02V2rln(一)-1.75a式中N线圈的匝数，r线圈的半径，a导线的截面半径。计算结果：Q=963,L=960H(3)同轴平行的空心线圈

9、之间的互感计算高频损耗电阻:高频辐射电阻:式中，幺。为磁导率，/为空气的介电常数，b为线圈的电导率，r为线圈的半径，。为线圈的线径，n为线圈的匝数，I为线圈的长度，h为线圈的宽度。而对于谐振耦合系统，由于其谐振频率在0.5-25MHz的范围内，通常情况下有Rr鸟所以一般忽略高频辐射电阻，此时线圈的内阻为R=/?+9a飞。结算结果：9=3Q,K=O.5。（4）整流电路部分元件的计算设接收端线圈两端电压为2=2sin皿，其中U2为其有效值。输出的平均电压计算公式：US=空工。9力71输出的平均电流计算公式：j_u0.9%O（AC）-RLRL计算结果：Uo=3.3V,Io=900IA（4）提高小车性

10、能的方法1、发射端逆变电路尽量选取效率高、功耗小的。2、合适的选取给电容充电的电路和电容的规格。3、尽量增强小车轮胎与木板之间的摩擦。4、让小车的重心在车前端正中间。三、电路与程序设计1、电路设计电路图见附录。2、程序设计(1)程序功能描述与设计思路程序功能为产生一个一定频率的方波，并使用一个io口输出高低电平来控制继电器线圈。(2)主程序流程图图3-5主程序流程图四、测试方案与测试方法1、测试设备Im长木板，量角器，直流稳压电源，米尺，万用表2、测试方法及数据(1)充电时间测试测试方法：输入端接5V直流稳压电源，接收端接电容，用万用表测量电容两端电压U,充电时间T。充电时间测试T/s3060

11、v2.44.7(2)小车直行测试测试方法：用充好电的电容给小车上安装好的电机供电,测量小车的直线行驶距离D。小车直行测试D/m3.53.33.8(3)小车爬坡测试测试方法：用充好电的电容给小车上安装好的电机供电,使其在准备好的木板上爬行，改变斜坡角度,测量其爬行距离D.小车爬坡测试Q/o1020304050D/cm100100100100803、测试结果分析1.电容在充电一分钟后可达到足够的电量，符合题目要求。2 .小车利用充好电的电容在直行时可达到足够的距离，符合题目要求。3 .小车利用充好电的电容在斜坡爬行时可达到一定的高度，符合题目要求。五、结论与心得通过本次设计，我们对无线充电有了一个更加深刻的理解。本次设计在硬件上，电路拓扑上的选择增强了系统的抗干扰性，有利用提升效率。从最终的测试结果看，本系统稳定性好，精度高，很好的完成了题目的各项要求。参考文献1范明.谐振耦合式电能无线传输系统研究.20122任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究.2009附录电路设计(1)系统总体框图图3-1系统总体框图(2)无线充电线圈发射及接收电路图3-2无线电充电发射电路图3-3无线电充电线圈电路（3）稳压电路GNDVOVTGNDVtn图3-4稳压芯片电路