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目錄

前言

1 系統(tǒng)方案

1.1控制器的論證與選擇

1.2?? 發(fā)射端電路選擇

1.3充電線圈選擇

2?系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1高效率方案

2.2高頻逆變電路

2.3 LCC-S諧振電路

2.4整流電路

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1耦合線圈設(shè)計(jì)

3.2主電路

3.3采樣電路

3.4驅(qū)動(dòng)電路

3.5軟件設(shè)計(jì)

4?測試方案與測試結(jié)果

4.1輸出波形測試

4.2超級(jí)電容充電測試

4.3小車行駛距離測試

5?參考文獻(xiàn)

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前言

提示：這里可以添加本文要記錄的大概內(nèi)容：

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于MSP430的磁諧振無線充電小車。主電路發(fā)射端采用全橋高頻逆變電路，諧振網(wǎng)絡(luò)使用LCC-S電路，接收端使用不控整流后經(jīng)buck降壓后給超級(jí)電容充電。經(jīng)過測試，60s內(nèi)10F的超級(jí)電容可充至4V左右，小車可行駛6圈左右的距離。

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提示：以下是本篇文章正

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、高頻逆變模塊、諧振模塊、整流模塊、采樣模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

【注：超級(jí)電容前加一級(jí)BUCK降壓，以恒流模式充電最快】

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圖 1系統(tǒng)整體方案

1.1控制器的論證與選擇

方案一：

DSP28335單片機(jī)是由美國德州儀器生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器，片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問，具有快速的中斷處理和硬件I/O支持。具有大規(guī)模集成性，穩(wěn)定性好，精密度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在高頻時(shí)鐘的高頻干擾，功率消耗較大等缺點(diǎn)。

方案二：

MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。MSP430 單片機(jī)稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電 路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。

通過比較，考慮到車載單片機(jī)功耗的問題，我們選擇MSP430系列單片機(jī)。1.1.2控制系統(tǒng)方案選擇

1.2?? 發(fā)射端電路選擇

方案一：

采用羅耶自激振蕩電路作為發(fā)射電路。羅耶自激電路最初由美國人G.H.Royer于1955年發(fā)明和設(shè)計(jì)，屬于自激式推挽振蕩電路，常用于需要產(chǎn)生交流正弦信號(hào)的電源設(shè)計(jì)，由于結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟和價(jià)格低廉，此技術(shù)在早期的彩電中廣泛使用。羅耶振蕩器利用晶體管和LC回路的振蕩特性來進(jìn)行自激振蕩。

方案二：

采用高頻逆變電路。對(duì)于高頻交流電源的設(shè)計(jì)，目前常用的全橋逆變電路需要4個(gè)MOS管，結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，損耗較高。為了優(yōu)化逆變器的工作效率，通常需要數(shù)字信號(hào)處理器等數(shù)字控制器和相應(yīng)的控制算法來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)控制以及無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制上的復(fù)雜度都較高

經(jīng)過比較，本團(tuán)隊(duì)采用能靈活控制的高頻逆變電路作為發(fā)射端電路。

1.3充電線圈選擇

系統(tǒng)中原副邊線圈通過諧振線圈傳輸能量，其本質(zhì)為變壓器。由于兩個(gè)線圈間沒有直接的物理接觸，因此與變壓器耦合程度不同，為松耦合形式，因此可以稱兩個(gè)線圈為松耦合變壓器。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及傳輸特性均與其參數(shù)相關(guān)，因此諧振線圈的設(shè)計(jì)十分重要，線圈的繞制方式和繞制形狀對(duì)線圈之間的耦合緊密程度有很大的影響。由于線圈工作在高頻下會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，工作頻率越高，影響越嚴(yán)重。當(dāng)通電導(dǎo)線處于交變磁場時(shí)，電流從導(dǎo)體表面流過，導(dǎo)線的等效電阻增大，此時(shí)損耗也會(huì)增加。因此在線圈繞制時(shí)對(duì)材料的選取尤為重要。本團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作頻率為 100kHz，而高頻下會(huì)使流過導(dǎo)線的電流會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，增加導(dǎo)線上的損耗，降低系統(tǒng)的工作效率。本文選用利茲線進(jìn)行線圈的制作。利茲線是由多根漆包線束和在一起而成，達(dá)成集體效應(yīng)，在提升了品質(zhì)因數(shù)Q的同時(shí)，減小了高頻電阻，削弱了集膚效應(yīng)對(duì)諧振線圈的影響。

2?系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

如圖所示，磁諧振無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括輸入直流電路、高頻功率變換電路、發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)、耦合線圈、接收端諧振網(wǎng)絡(luò)、接收端功率變換電路、負(fù)載。

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圖 2無線充電系統(tǒng)

磁耦合無線充電系統(tǒng)的工作過程為：首先發(fā)射端將輸入直流電壓通過高頻功率變換電路變換為高頻的功率信號(hào)，再利用發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償無功功率，然后由耦合線圈的發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻交變磁場；接收端的接收線圈和諧振網(wǎng)絡(luò)電路接收該高頻磁場，并將磁場能量轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)“電場-磁場-電場”的無線電能傳輸，由于接收得到的電能仍為高頻交流電，最后利用功率變換電路提供給電池負(fù)載充電。

2.1高效率方案

為了使小車行駛更遠(yuǎn)的距離，本團(tuán)隊(duì)采用了如下方案：

a.? 減輕小車重量

b.? 使用三輪結(jié)構(gòu)，后輪使用萬向輪，兩電機(jī)能耗遠(yuǎn)比四電機(jī)小。

c.? 發(fā)射接收線圈采用利茲線

d.? 鐵氧體層增加線圈耦合系數(shù)，提高能量傳輸功率

e.? 采用通態(tài)電阻更小的MOS管，并設(shè)計(jì)適合的緩沖電路

f.?? 采用低功耗MSP430處理器

2.2高頻逆變電路

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圖 3逆變電路

逆變主要有半橋與全橋電路，其中半橋結(jié)構(gòu)相比于全橋結(jié)構(gòu)更簡單，僅只使用兩個(gè)開關(guān)管，控制信號(hào)的邏輯更簡單，容易控制，在成本上有優(yōu)勢；缺點(diǎn)是半橋電路輸出電壓是全橋的輸出電壓的 0.5 倍，輸出電壓小，在輸入電壓相同時(shí)，輸出功率只有全橋輸出功率的一半，而且半橋電路的電壓電流輸出紋波比較大。而全橋結(jié)構(gòu)的承受功率為半橋結(jié)構(gòu)的 2 倍，有更高的電流應(yīng)力。為提高系統(tǒng)工作效率，本團(tuán)隊(duì)采用全橋逆變電路，這種拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)為軟開關(guān)的運(yùn)行提供了條件。

2.3 LCC-S諧振電路

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圖 4 LCC-S諧振電路

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當(dāng)系統(tǒng)為諧振狀態(tài)時(shí)，發(fā)射和接收端諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足：

2.4整流電路

本團(tuán)隊(duì)接收端采用二極管橋式整流電路對(duì)接收端的正弦電流整流，經(jīng)buck降壓至5V后對(duì)超級(jí)電容充電。小車供電從超級(jí)電容取電，為了更充分地利用超級(jí)電容中的能量，本團(tuán)隊(duì)采用輸入最低0.9V的Boost電路升壓至穩(wěn)定的5V供電。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1耦合線圈設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)耦合線圈裝置時(shí)，兩線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，本團(tuán)隊(duì)選用線徑為 0.1mm 的 250股利茲線繞制。線圈的內(nèi)徑 2cm，外經(jīng) 6cm，兩層線圈總匝數(shù)為 40。

實(shí)測電氣參數(shù)：

表 1線圈參數(shù)

L1	L2	正串電感	反串電感	互感M	耦合系數(shù)
80uH	72uH	202uH	102uH	25uH	0.33

3.2主電路

耦合線圈設(shè)計(jì)完成后，隨之設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的諧振網(wǎng)絡(luò)。諧振網(wǎng)絡(luò)則包括諧振電感L1、并聯(lián)諧振電容Cp 、串聯(lián)諧振電容Cp和諧振電容Cs。

a.諧振電感L1：系統(tǒng)的輸出功率隨著L1的增大而減小。

考慮到本題目要求的傳輸功率為7.5W，Pout > 7.5W，實(shí)測Req = 500Ω，當(dāng)互感M = 25uH時(shí)，L < 17.6uH，本團(tuán)隊(duì)實(shí)際選用為10uH銅線繞制的工字電感。

b.并聯(lián)諧振電容：系統(tǒng)的 C1、L1 形成 LC 諧振，由諧振公式可計(jì)算 C1的取值為 253nF。兼顧 C1 的耐壓值與高頻特性，本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)個(gè)耐壓 200V，容值為470uF 的 CBB電容串聯(lián)。

c.串聯(lián)諧振電容：在已確定 L1、Lp 和 C1 后，可由諧振關(guān)系得 Cp 取值為36nF，實(shí)際采用三個(gè)100uF的CBB電容串聯(lián)。

d.諧振電容:由諧振關(guān)系計(jì)算得 Cs 應(yīng)取值為 35nF，實(shí)際采用三個(gè)100uF的CBB電容串聯(lián)。

系統(tǒng)參數(shù)實(shí)際值：

表 2電路參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)	實(shí)際值
諧振電感L1	10uH
并聯(lián)諧振電C1	235uF
串聯(lián)諧振電容Cp	33uF
發(fā)射線圈電感Lp	80uH
接收線圈電感Ls	72uH
諧振電容Cs	33uF

3.3采樣電路

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圖 5采樣電路

如圖為電流采樣電路，輸入電流經(jīng)過CC6900電流采樣芯片，輸出電壓信號(hào)先經(jīng)經(jīng)大電阻分壓，再經(jīng)電壓跟隨器在不影響原電路的情況下精確地獲取電路電壓，通過電容濾波后經(jīng)比例放大器比例縮小得到在0-3.3V以內(nèi)的電壓。

3.4驅(qū)動(dòng)電路

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圖 6驅(qū)動(dòng)電路據(jù)

本團(tuán)隊(duì)選用IR2110設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，上圖為驅(qū)動(dòng)自舉電路設(shè)計(jì)。

3.5軟件設(shè)計(jì)

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圖 7系統(tǒng)流程圖

4?測試方案與測試結(jié)果

4.1輸出波形測試

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圖 8發(fā)射線圈波形（左）與接收線圈波形（右）

4.2超級(jí)電容充電測試

表 3超級(jí)電容充電電壓

時(shí)間/s	10	20	30	40	50	60
電壓/V	1.02	1.58	2.61	3.33	3.82	4.0

4.3小車行駛距離測試

表 4小車行駛距離測試

次數(shù)	1	2	3	4	5
圈數(shù)	6.5	5.25	6	6.25	5.5

5?參考文獻(xiàn)

[1]劉飛廉. 基于接收端有源整流的磁諧振無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2022.

[2]俞子豪. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)特性研究[D].南京郵電大學(xué),2021.

[3]郭建成. 基于諧振耦合式電能無線傳輸系統(tǒng)分析與研究[D].蘭州交通大學(xué),2015.

6 附錄

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總結(jié)

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