博特电子-17届智能车无线充电组恒功率方案

目录

一、恒功率充电设计原理

二、硬件设计

三、软件设计

四、无线充电测试

1.测试器件清单

2.测试接线图

3.测试方案

4.测试结果

5备注

五、说明

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恒功率套件图：

        恒功率套件淘宝链接

        恒功率测试视频

        恒功率在F车上测试视频

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一、恒功率充电设计原理

        参考卓晴老师推文“如何把大象装进冰箱”等多篇无线充电相关文章以及15届节能组参赛队伍恒功率设计方案。

1系统整体设计

        恒功率充电系统整体框图如图1所示。主要由硬件和软件两部分组成。硬件中恒功率板上电压采集使用一个电阻分压网络；电流采集由采集电阻+AD8217电流检测芯片组成。控制算法中，使用PID+前馈控制。首先使用TC264内部ADC采集电压电流，计算出当前充电功率，将设定功率值与当前充电功率比较，得到误差。使用PID调节器计算出结果，将结果使用前馈控制计算得到当前输出电压值，转换为对应PWM输出至Buck半桥控制。

图1  系统整体框图

2.恒功率充电原理

        能量：

  (1)

         在恒功率充电过程中，保持P不变。随着充电进行，t变化，控制V的变化满足公式（1），即可实现恒功率充电，此为前馈控制。实际调试中，受外界干扰及其他影响，很难通过公式（1）实现。采集实际功率P，通过PID算法，可以实时调节功率，达到恒功率。本方案使用前馈控制+PID控制实现。对电压的控制，使用buck电路，通过调节占空比调节电压V。

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二、硬件设计

图2  恒功率控制板硬件整体框架

        恒功率控制板硬件整体框架如图2所示。

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三、软件设计

图3  软件流程图

        软件流程图如图3所示.

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四、无线充电测试

1.测试器件清单

表1  测试器件清单

序号	器件	作用	规格
1	龙邱信标无线充电发射器一整套	无线充电发射	标准比赛用信标。电压24V,限制电流3A
2	接收线圈	无线充电接收端	约30-31uH，外径约20cm，内径17cm，
3	LC串联谐振电容	LC谐振	36.5nF，100V以上耐压
4	恒功率充电套件-全桥整流部分	整流	全桥整流
5	恒功率充电套件-恒功率部分	恒功率控制	buck半桥
6	TC264主板及核心板	软件控制	博特主板和逐飞核心板
7	超级电容组	储存能量	10F2.7V 5串（RoSH）
			10F2.7V 5串（HCCCAP）
			10F3.0V 5串（HCCCAP）
			10F2.7V 4串（KAMCAP）
			20F2.7V 5串（ZNP）

测试清单如表1所示。测试代码为demo工程。

2.测试接线图

图2  接线图

3.测试方案

        线圈位置，整流后电压大于32V。

        完整的无线充电过程。比赛用标准信标灯发射功率，接收端使用发射端相同线圈接收功率。使用LC串联谐振接收，匹配谐振频率在150KHz，得到36.5nF（多个电容并联）的电容。经过恒功率充电套件-全桥整流部分整流，得到直流量。输入进恒功率部分，使用逐飞TC264核心板和博特电子学习主板控制恒功率板，设置恒功率功率为58W，对超级电容组进行充电。

        当触发发射器发送时，开始计时，将电容充电至12V左右（单片机测量，串口打印输出）时结束充电并停止计时，得到计时时间（单片机测量，串口打印输出）。

4.测试结果

表2  无线充电测试结果

序号	电容规格	电容容量/F	终止电压/V	充电时间/s
1	10F2.7V 5串（RoSH）	2	12	3.07
2	10F2.7V 5串（HCCCAP）	2	12	3.45
3	10F3.0V 5串（HCCCAP）	2	12	3.15
4	10F2.7V 4串（KAMCAP）	2	12	3.37
5	20F2.7V 5串（ZNP）	4	12	5.38

        测试结果如表2所示。测试结果表明，当本恒功率方案，接收输入进2F超级电容，充电电压12V，充电时间在4s以内。接收输入进4F超级电容，充电电压12V，充电时间在6s以内。

        序号1电容测试过程曲线分别如图2所示。经过约0.5s后，充电功率稳定在58W左右。

图2  1号电容测试过程曲线

5.备注

        1）万用表和ADC测量电压在充电结束瞬间，电压值会下降，原因暂时不清楚。但是还是按12V的电压来计算平均功率效率。不同电容下降不同：

        1号电容从12->11.1V；

        2号电容从12->10.4V；

        3号电容从12->10.3V；

        4号电容从12->10.4V；

        5号电容从12->11.2V。

        2）4款10F电容的充电时间有差异。受不同厂家的材质、电容容量误差和测量误差等，会有些许误差。

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五、说明

        1）规则说明。接收端功率50W左右，是按发射器限制72W，效率假设为70%左右时，接收功率大约是50W来规定的。但实际上在整流接收后，使用仪器测试最大输出功率可以达到接近60W。因此本测试设置58W，在合理范围。

        2）接收端150KHz谐振配置。首先接收电压较大，因此需要耐压值高，且容值不易变化的C0G或者NP0材质电容。使用LCR电桥测量（尽量选择接近150KHz的量程测量）线圈的电感值（注意远离其他线圈，防止互感），通过串联谐振公式计算出对应电容值。使用电容并联（即容值相加），测量并联后的容值，进行微调，得到想要的谐振频率。调试经验：无需完全的匹配（谐振频率150KHz上下3KHz左右）即可达到最大功率。例：本套件测试中，使用的是31uH线圈，配置后电容值36.5nF（22+5.6+5.6+3.3），谐振频率149.6KHz。

        3）关于线圈以及位置。

        问：为何不选用小线圈，而是大线圈？

        答：1.小线圈的接收功率（效率）没大线圈高，大线圈可达60W，小线圈只能50W左右。

        2.小线圈整流后电压低（十几V），在恒功率充电中需要有降压稳压电路稳压至12V给buck半桥驱动供电，充电时电压会降低，当输入电压低于芯片要求时，驱动无法正常供电。

        问：线圈位置要如何才行？

        答：一般线圈位置决定了整流后电压值，所以电压值合适，就可以达到最大功率。在测试方案中的龙邱线圈，电压值达到32V以上，便可以使用。若达不到，可自行实验最低功率。例：接收后电压值32V，可设置58W的功率。

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