无线充电小车设计报告.docx

摘要设计并制作一个设计并制作一个无线充电电动车，可以通过无线充电的方式传输电能。并将电能存储，充电结束后将电能释放驱动小车前进。该小车主要包括无线充电模块，电能存储模块，电能传输变送模块，电动机（动力模块）和车身等。其中无线充电模块使用电磁感应式的无线充电模块，和其余无线充电技术相比，该技术较为成熟，可靠。电能存储模块则使用法拉电容，能量密度大，充电方便，且非常适合此次情况。电动机使用空心杯作为动力源，并使用齿轮组作为变速箱降低转速，增大动力。关键词：无线充电；法拉电容；小车；目录目录1一、方案论证11.1 无线充电模块选取与分析11.2 电能存储模块的选取与分析113动力模块的设计和选择21.4 车身的选择21.5 电能传输变送模块的设计和选择21.6 控制部分的设计选择2二、理论分析与计算32.1 整体架构分析32.2 对电能的分析32.3 机械能的能量损耗。3三、电路设计43.1 无线充电电路图43.2 超级电容充放电电路图43.3 继电器控制电路图4四、测试方案与测试结果44.1 工具44.2 测试方法与数据44.3 测试结果分析5五、结论与心得5参考文献5附录1：理论分析图1附录2：电路设计图2、方案论证无线充电小车主要由无线充电模块，电能存储模块，电能传输变送模块，电动机（动力模块），控制部分以及车身组成下面分别论证各个模块的选择分析。1.1 无线充电模块选取与分析无线充电技术源于无线电能传输技术，可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。无线充电主要分为以下几类一，电磁感应式。初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。技术较为成熟，应用也比较方便，是不错的选择。二，磁场共振式。由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，但该技术使用的线圈直径达到50cm,比较笨重。而如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。不符合本次设计。三,无线电波式。这是发展较为成熟的技术,类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在低电压产品的“蚊型”接收器。但在本次设计中仅需要对一件设备进行充电，且该技术需要资金过多，不符合本次设计。四，使用WiFi充电。作为一种新型的无线充电技术，WiFi充电拥有其余无线充电方式难以匹及的优点一一无线路由器可以在不更换硬件仅需装载一个软件的情况下给装备了特殊充电传感器的电子设备充电，真正做到了随走随充。但是作为一种尚未完善的技术，无线充电有着定位不易的问题，对电流传输效率也需要强化，不符合本次设计。综上来考虑，我们选择电磁感应式的无线充电方法。1.2 电能存储模块的选取与分析法拉电容又叫超级电容，是一种通过极化电解质来储能的化学元件。超级电容具有容量大,充电速度快,循环使用寿命长,大电流放电能力超强，能量转换效率高，充电线路简单，检测方便，需要过压保护电路和较复杂的输出电路等特点。超级电容经常应用非常广泛，包括电子玩具，公共汽车，计算机存储器的后备电源等方面。当然，电容不可避免的会出现随电能的输出，电压大幅下降的情况，对于这种情况，可以通过选取电压更小的电机或者使用升压电路来解决这个问题。同时还需考虑电容的自重问题尽量选取能量密度较高的电容。1.3 动力模块的设计和选择为了让小车能够爬升的更高，必须使电动机优化电动机利用的能量方式，包括三方面：一，使用效率更高的电动机，从而减少能量的浪费，增加有功功率。比如选用直流无刷电机来代替有刷电机。二，在确保安全的前提下尽量选择电压较小的电动机，这样有可以使电机尽快的启动，较晚停止，运行尽可能多的时间，更好的运用能量。三，可以考虑使用升降压电路，当电容电压衰减到已经无法驱动电动机后使用升压电路来升高电压驱动电机，充分利用电容内的剩余能量。四，在完成以上的要求后，应使电机的重量尽可能的小，节约能量。通过综合考虑，我们决定使用空心杯电动机。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，这种转子结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗，不但具有突出的节能特点，而且具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电动机具有极高的能量转换效率其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上，而且空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2。故非常适合本次设计。由于空心杯转速非常快，转动力不够。于是使用齿轮组作为变速装置来降低转速从而增大转矩，获得更大的驱动力。1.4 车身的选择在确保坚固的前提下，车身应尽量使用轻便的的材料，比如轻木，泡沫或者塑料等。并且尽量摒弃多余的无用功能，减少能量的浪费，保证效率最大化。最终选择多孔塑料材料作为车身。1.5 电能传输变送模块的设计和选择由于电磁式无线充电过程中通过线圈和电磁波传输的为交流电，而电容储存和供电皆为直流电，故需要使用逆变（发射端）和整流（接收端）电路进行交直流之间的变换。而在进行DC-DC变换过程时，我们根据建议采用TI公司TPS63020芯片。此器件封装在一个10引脚的小外形尺寸封装。使用发便，可以很简单实现电能变化。1.6 控制部分的设计选择有该小车系统并不需要非常复杂的控制，需要控制的部分是：一，无线充电模块工作时，电动机断路，电能从无线充电模块流向电容。二，是当充电结束后(中断无线充电模块的供电)，电容与电机相连，电容放电驱动电机。由于过程简单，且能量宝贵。决定使用继电器来实现该动作，不使用单片机等高级控制模块。继电器处于常闭状态，输入回路与电源相连，输出回路与电动机串联，当充电开始时，继电器开路，电机不转，充电结束后，继电器返回常闭，电容给电机供电，小车开始前进。二、理论分析与计算2.1 整体架构分析对整个计划的架构进行分析，可以得知其主要由小车部和充电部两部分组成。见附录L图L整体分析图2.2 对电能的分析对于该目标来说，能量以电能形式传输中进行了多次变换，其不可避免的会进行一些损耗。由题G可知，初始供能给无线充电模块为5V、1A、持续一分钟的直流电根据公式W=PT=UIT可以得知输入总能量为300JO电能传输方式见图见附录L图2.电能传输图2.3 机械能的能量损耗。对第四问来说，小车所获得的的由电能转化为的机械能最终将全部变成重力势能和摩擦损耗。根据公式EP=mgh若想使高度更高，那么就要使重力势能EP更大，摩擦损耗更小小车与木板之间滚动摩擦系数为,整个小车质量为m,木板倾斜度为。总机械能为W,八COSe、E7z(l+-/)=Wsin故斜坡越抖，摩擦损耗越小。但由于H=7-"gsm'故还要考虑发动机的输出力,不能让坡太陡。in三、电路设计3.1 无线充电电路图通过电磁感应的原理，将5V/1A的直流电通过逆变转化为交流电送入发射线圈，发射线圈将交流电转化为电磁波，接收线圈感应到电磁波，产生感应电流,逆变电路将交流感应电流转化为直流电流并给超级电容充电。见附录2.图L无线充电电路设计3.2 超级电容充放电电路图超级电容充放电原理图见附录2.图2.(2)超级电容充放电电路图见附录2.图3.3.3 继电器控制电路图见附录2.图4继电器电路图四、测试方案与测试结果4.1 工具FIUke便携万用表15B；UNI-TUT803台式万用表；木板。4.2 测试方法与数据1,在平地上放置水平木板，将小车放置到木板上。先对放空小车电容内部的电能。在无线充电1分钟后，立即断开无线充电电源，观察小车是否前进，并测量小车行进的距离。次数充电时间是否前进(是/否)前进距离(m)160.3是»1259.7是»1359.9是»1460.1是»1560.3是»1659.0是»12,将木板抬高。度，然后让小车开始行进，观察并记录测试结果。次数充电时间（三）角度。（°）行进距离l（m）SinLSin(m)160.13010.50.5260.33010.50.5360.53010.50.5459.737.50.920.60870.56004559.337.50.990.60870.602613659.537.50.900.60870.54783760.7450.80.70710.56568859.0450.70.70710.49497961.0450.750.70710.5303251059.252.50.510.79340.4046341159.952.50.530.79340.4205021260.052.50.490.79340.3887661360.1600.30.86600.25981459.7600.230.86600.199181559.9600.290.86600.251144.3测试结果分析1,进行一分钟的无线充电后，小车可以在水平木板上上轻易行进1米以上。2,在斜坡木板上行进时需要考虑木板的坡度,根据测试情况分析,在30°到45。时效果最好，坡度太大时，小车原地打滑或斜向前进，初步猜测是由于抓地摩擦力不足和电机转矩太小的原因。可通过更换轮胎和变速箱来增加摩擦力和转矩。五、结论与心得通过本次设计学到了非常多的知识，包括无线充电的原理以及使用，以及法拉电容不封的相关知识，加深了我们对课堂上所学知识的理解和掌握。本次设计小车可以通过无线充电的方法获得能量，并且将能量传输存储到法拉电容内，在中断充电后，小车将自动启动，由电容给电机供电驱使小车前进。从最终的测试结果看，效果不是特别理想，拥有很大的改进空间，但还是比较好的完成了题目的各项要求。参考文献康华光.电子技术基础，高等教育出版社,1998胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社,20023张鑫.单片机原理与应用,电子工业出版社,20084CirrusLogic.CS5463ProductDataSheer,2005赵景波,王劲松.Prote2004电路设计,电子工业出版社,2007魏立峰,王宝兴.单片机原理与应用技术.北京大学出版社,20067王进野.电机拖动与控制,天津大学出版社,2008胡幸鸣.电机及拖动基础.机械工业出版社,2010附录1：理论分析图图I整体分析图图2电能传输图附录2：电路设计图图1无线充电模块电路图USB供电(5VIE)USB供电（5V负）图2超级电容充放电原理图RSEN2"NeE：CurrentSenseAmplifierPeakCurrentRampTiI.图3超级电容充放电电路图图4继电器电路图