方案解析：无线充电小车，车小能量大（A题南京邮电大学）

我们是来自南京邮电大学的参赛队伍（王涵申 朱旭豪 王达），在2019年电赛A题中获得国一，感谢达尔闻的邀请，希望我们的分享对做车的，以及未来想参赛的选手有帮助。

无线充电小车讲解、演示视频↑↑↑

几个和车相关，同时大家很关心的问题：

电赛前如何准备模块？比赛短短几天是如何做到小车比较稳定？

比赛前我们是按照传统电源准备的，团队里三个人参加电赛的经验都比较丰富（参加过18年省赛和18年TI杯邀请赛），其中一位也参加过17年国赛，都是从大一就开始接触电赛了，所以三年里准备的模块有很多。本来觉得这次准备的很充分，但是，三年准备的模块，一个也没用上！怎么办呢？硬着头皮上。

此次作品所有模块都是四天三夜里做出来的（光敏传感都是）。其中所有硬件电路部分第二天就做完了，一直在等电机和小车从深圳发过来，第三天的时候东西都到齐了，晚上的时候就开始联调了，第四天主要工作是怎么调整赛道，记录数据，找到最佳的状态。

制定方案中遇到的问题以及如何解决的?

1）从谐振频率改到罗耶振荡电路。我们最初的设想是可以做到谐振频率可控，但是后来尝试了一下，有问题，就改了，虽然效率没有谐振频率可控高，但是也维持在了80%左右。

2）寻线稳定性。红外对管模块，只能反馈开关量，这样给PID调控带来了麻烦。我们最后利用两个光敏电阻和一个蓝色LED自制了一个循迹模块，效果很好，所以寻线比较稳，省测时充电跑可以跑33圈多。

3）线圈选择。最初我们考虑了自己绕线圈，但是后来尝试了一下，没有购买的直径5cm左右的线圈效果好，也考虑过直径更大的线圈效果好，但是没有这么大的磁贴用来屏蔽，小车底盘也刚好只能放5cm左右的线圈，就没有更换，最后也给我们作品带来了一个问题。一开始放置小车时，两个线圈一定要对的比较齐，不然效率会略低一些。

A题题目要求：

此次题目要求：设置并制作一个无线充电电动小车及无线充电系统，共有四个发射装置和一个车载接收装置。要求无线充电系统由一台输出电流不超过1A的5V直流稳压电源供电，具有轮流动态充电。

小车在充电后具有沿赛道循迹，定点停车等功能。

具体方案解析：

系统总方案 ，主要由无线发射模块、接收模块、电机驱动模块、超级电容组、恒流充电模块组成。

下面分别论证这几个模块的选择，主框图如图：

1）发射电路方案的论证与选择

方案一：能量注入型谐振拓扑，采用MSP430F5529产生高频率PWM波，输入至栅极驱动器UCC27211，驱动全桥逆变电路，将直流电源变为高频方波，输入至发射线圈，进行无线传输。

方案二：自激振荡式谐振拓扑。采用罗耶振荡电路，构成频率跟随谐振电路，经过开关电路中2个MOS管的交替导通，在电容和发射线圈两端产生交变电压信号，电压信号经过反馈回路控制MOS的导通状态，实现两者开关状态的切换，从而形成稳定的谐振状态，产生正弦交变信号，进行无线传输。

由于题目仅提供5V直流稳压源，方案一采用的栅极驱动器刚做电压最低为8V，需在发射电路前加升压电路使模块正常工作，增大了电路复杂性，降低了效率。而方案二采用的振荡电路可对谐振频率自动调节，实现最佳功率频点的跟踪，具有电路简单，反馈实时性好的特点。通过比较，选择方案二。

2）接收电路的论证与选择

方案一：倍压整流电路。利用滤波电容的储能特性，通过电路中的多个电容和多个二极管使输出电压几倍于接收端线圈获得的电压。

方案二：采桥式整流电路实现全波整流，将接收端的电压的正负半周都加以利用，适合于谐振耦合式电能无线传输系统，能够让超级电容组获得更高的电压和电流，且具有耦合环节利用率高和扰动较小等优点。

考虑到方案一适用于负载较大的场合使用，本系统只属于小型系统，使用倍压整流电路，整流效果较差，而考虑到方案二桥式整流电路利用率较高高，故采用方案二，另外因系统工作频率较高，故选择快恢复肖特基二极管制作桥式整流电路。

3）超级电容充电电路的论证与选择

方案一：LC滤波电路。LC滤波电路在滤波电容之前串联一个铁心电感，由于电感线圈中电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势来阻碍电流变化，从而使超级电容的充电电压和电流的脉动大大减小。

方案二：BUCK恒流电路，在整流滤波后利用BUCK恒流电路，将超级电容充电电流稳定在合适的大小，使其在充电过程中保证电流恒定。

由于方案一输出电压恒定，输出电流随着电容电量而变化，无法完全利用题目所提供的输出5V，最大1A的直流稳压源输出的电能，而方案二保证了电容在充电过程中可以保持恒定的电流输入，能够更多地利用直流电压提供的电能，因此选择方案二。

4）系统提高效率的方法  

选择合适的谐振电路：电磁谐振耦合无线传输技术的理论基础是“耦合模理论”。当能量发射装置与接收装置的谐振频率相同，发射装置在这个交变磁场下先产生自谐振，并产生相同频率的交变磁场，当接收装置靠近发射装置时，也会产生自谐振，接收装置不断集聚能量，以此实现了能量的无线传输。当发射线圈发射方波处于谐振点时，此时传输电能的效率最高。因此在确定谐振电路时，需计算出相应电容与电感的谐振频率。

设谐振电路输出频率为，则谐振频率等于满足如下关系：

本设计方案采用发射线圈，经数字电桥测量得=7.2uh，谐振电路发射端电容，经万用表测量得=0.27uF，经计算与调试可得初始频率为110KHz。

最佳传输功率频点跟踪：

为了提高能量的传输功率及其稳定性，经过系统建模和理论分析发现，可以采用罗耶振荡电路对最大传输功率频点进行实时跟踪，由于谐振回路在过耦合状态时总处于纯阻性，当谐振回路的阻抗特性改变时，振荡电路将对谐振频率进行自动调节，从而实现最佳传输功率频点的跟踪。罗耶振荡器具有功率放大和谐振耦合的功能，具有电路简单，反馈实时性好的特点。

谐振电路图

使用低功耗无刷电机：根据题目要求，无线充电小车充电完成后，将沿赛道进行循迹，此时能量损耗主要集中在电机上。为了能够改善指标，提高系统的效率，我们选用了GM25-BLDC2418直流无刷减速电机，单个电机正常工作时功耗仅为0.15W。

5）电容充放电策略

恒流充电电路

电容的充电：根据理论分析和测试结果表明，向超级电容组充电时，电容两端电压不可突变，在充电前期会出现电流较大的情况，此时充入电容的功率不可控制，会出现功率过大导致直流电压源进入限流模式，影响其输出电压小于单片机启动电压。因此，我们采用恒流模式对超级电容组进行充电，在桥式整流桥后，接入恒流模式降压电路，以恒定1A的电流对电容进行充电，既避免了充电前期电流过大，影响供电系统工作的问题，又避免了充电后期，电容较小，充电功率较小，能量利用率低。

电容的放电：经过多次实验及测试，针对整个系统，采用2.7V、10F超级电容两个并联后，再三组并联。因为电容储存能量与电容两端电压正相关，所以需要在电容两端电压较低时，利用BOOST升压电路，将电压升至足以驱动电机，为此我们选择了MT3608升压芯片，将输出端作为芯片的供电，理论上可将电容中0到6V均转为8V给电机供电，但由于芯片内部开关管内阻等原因，实际应用中仅能利用0.6到6V中的电能，可利用电容中90%的能量。

Boost升压电路

6）动态充电控制策略

根据题目发挥部分要求，在接通电源，计时60秒后，小车自行启动，沿导线单向不停顿行驶，沿途有4个发射线圈轮流动态充电。为了小车行驶尽量长的距离的同时，耗费更少的能量，以使指标K=L₂/W达到最优。本作品在60秒自启动后，由单片机控制下一个发射线圈发射脉冲信号，当小车接近时，检测到电流大于阈值，则完全打开此发射线圈。当小车完全经过后，检测到电流小于阈值，再次控制下一线圈发射脉冲信号，以此完成循环检测，动态充电。

动态充电控制流程图

写在最后：

感谢“达尔闻说”对我们的信任来做这一篇推送，这也是我们队伍三个人最后一次参加电赛了，非常感谢南京邮电大学，从大一开始准备竞赛以来，对我们提供的帮助，最后要特别感谢的是我们的指导老师——张老师和陈老师，在日常准备过程中对我们的帮助，也祝愿母校成绩越来越好，“达尔闻说”越来越好。

END

达尔闻 TI杯及国一优秀作品方案解析系列

C题线路负载及故障检测装置（湖南理工学院）F题测多少张纸才能获得国一？（上海海事大学）H题国一电磁炮打靶，做过才知道多心酸(河北地质大学)B题轴距仅210mm的四旋翼有多稳（上海大学）D题简易放大器电路特性仪，拿国一不简易（南京邮电大学）F题纸张计数精准测量出200张纸？！（湖南师范大学）达尔闻 2019年电赛培训及猜题，采访集锦国奖出炉！竞赛获奖名单，戳这里>>

9万+直播在看的电赛猜题文字版，戳这里>>2019电赛题目公布，戳这里>>

电赛最受关心的问题及解答，戳这里>>

国一师兄提前带你终极测评，戳这里>>

西电李同学的综测详解，戳这里>>

复测现场，达尔闻采访优秀队伍，戳这里>>

2019年电赛综合测评TOP作品一览，戳这里>>

达尔闻为参加电赛的同学们准备了以下课程：

毕业设计开班啦！达尔闻秋季大事件

达尔闻携全球分销商-得捷电子（Digi-key）带来17讲毕设系列线上课程。

讲师：毕设导师，名校博士/硕士，资深工程师，知乎大神，B站Up主

课程内容：从选题、基础知识补足，毕设题目拆解教学到毕设案例分享。

时间：2019年9月-2019年12月

福利：丰富的毕设资料、项目方案，免费开发板等，立即占座：

方式一，毕业设计-得捷 交流qq群：657307701

方式二，识别下方二维码添加妮姐微信：459888529，备注：毕设，即可入群。