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恒功率套件图:
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。
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。
三、软件设计
图3 软件流程图
软件流程图如图3所示.
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。
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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