如何把大象装进冰箱

简 介： 本文讨论了如何通过恒功率充电将无线电能快速充进法拉电容负载。这个方案被广泛应用在全国大学生智能车竞赛中。

关键词： 无线节能，无线充电，恒功率，智能车竞赛，法拉电容

  祖禅同学，上一次，我们探讨了通过无线感应线圈接收电能的方案以及相关的实验结果。可以看出，只需要一个直径在10厘米之内，10匝左右的线圈，安装在车模上，距离地面发射线圈的高度小于5厘米，便可以获得最大超过20W的电能功率。

  根据往届节能组的情况，有的参赛队伍只需要效果200焦耳的电能便可以完成比赛。下面的储能法拉电容组采用了15个容量为10F，耐压为2.7V的电容通过串并形成的一个耐压超过13.5V，容量为6F的电容。当它充电电压为10V的时候，可以存储大约300焦耳的电能。

  如果使用20W的恒定的功率给上述储能电容组充电，可以在15秒中的时间内将电容电压从0V充至10V，为车模运行将会提供电能。

  祖禅，根据你已经学过的知识，那么如果将这些电能从接收线圈高效快速装进车模的储能电容呢？

  你说，可以试试最简单的方法，直接将接收线圈倍压整流后的输出连接到储能电容上。

  这种方法会存在诸多问题，有的问题可以是说是非常严重的。为了说明问题，可以通过一个简单的实验说明一下。使用一个带有限流保护的稳压电源，串联一个3欧姆的电阻，模拟上次实验中接收线圈的阻抗。电源输出电流限制为1.5A。

  之所以没有直接使用接收线圈进行实验，是为了避免实验过程中出现的过载会烧坏无线充电输出电路和接收整流电路。由于电容组的耐压不超过13.5V，所以讲直流电源的电压设置为12V，小于线圈接收整流电压30V的数值。

  通过记录电源电压、电源电流以及电容上的电压，绘制出整个充电过程。由于实验的直流电源具有过流保护，所以不会产生过载损坏电源的现象。实验数据如下图所示。

  首先中间部分显示出电源电压曲线，下面为电源输出电流波形。在实验前面25秒内，由于电容电压低，电源输出电流被限制在1.5A。由于限流，所以电源电压也小于设定的稳压值。过了25秒之后，随着电容电压上升，电源输出电流下降，直流电源退出限流状态，输出电压恢复到设定12V，此后的电压电流波形就和普通的RC充电波形相一致了。

  在此期间，电源输出功率波动很大，并且与电容输入功率之间存在着功率损失，这使得电容存储功率小于电源可以输出的功率，最终使得充电时间延长了。上面的实验中，总共花费了53秒的时间电容电压才上升到10V。

  电源过流保护将来比赛中，意味着无线发送电流就会暂时停止工作，然后在重新启动，这将大大延长充电的时间。

  你说，为了避免开始阶段的时候，电容电压低造成充电电流过大，可以在电容上串联电阻限流。是吗？

  这只是避免了电源限流保护，但它会进一步降低电容充电的速率，延长充电的时间。例如，在12V电源情况下，使得输出点起来不超过1.5A，串联电阻需要8欧姆。你可以根据在电路原理课程中所学到的内容，计算出电容电压充到10V的时候所需要理论上的时间为129秒。

  所以，直接将储能电容接入接收线圈，或者通过串联限流电阻接入接收线圈，是无法达到恒功率充电。特别的是，在这个过程中，还有很大部分的电能损失掉了。

  是否，在你现在所学到的知识体系中，还有什么办法，可以控制电源输出功率，同时有没有任何损失的办法吗？

  根据电源输出功率计算方式：P=U^2/R =I^2*R，可以知道，通过改变电源电压，或者负载电阻就可以有效控制输出功率。如果不需要将感应线圈进行整流对电容充电，实际上可以直接通过一定的耦合变压器或者LC匹配网络可以改变负载的阻抗，从而控制输出功率。但是上述办法都是针对交流信号是有效的。对于直流信号，则需要另辟蹊径了。

  祖禅同学，在你现在所需到的基础知识中，如果要解决上述电容恒功率，高效充电的问题，恐怕已经非常困难了。下面需要借助于两个已经非常成熟，但是你现在尚未在课程内学习到的技术：PWM和反馈控制。

PWM

  PWM(Pulse Width Modulation)是指对周期脉冲波形的宽度进行调制。调制的概念以前是用于对无线电波发送的时候，对于载波信号进行调幅、调频、调相等操作，使得发送信号调制在载波信号上。在这里则是通过周期信号脉冲宽度的改变，使得它的平均等效直流信号发生变化。

  下面示波器显示的就是一脉冲宽度呈现正弦波变化的信号，经过LC低通滤波器之后，它的平均电压就是一个与其脉宽成正比的一个正弦信号。

  将脉冲时间宽度比上周期，定义为PWM波形的占空比，它是一个从0到100%的数值。PWM平均值就等于信号的峰值乘以占空比。

  你问，在这里讨论PWM波形有什么作用？

  讨论PWM波形，主要是为了使用它来进行直流电压的变换。

  例如下面示意图中，两个MOS功率管串联起来接在电源与地之间。这种接法有一个通俗的称谓，叫做“半桥”功率输出电路。与其对应的就是由两个半桥组成的全桥功率输出电路。将来你会使用它控制电机转速和方向的。

  如果通过施加在上下两个MOS管栅极上相位相反的开关信号，使得上下两个MOS管交替导通，那么它们中间相连就会形成周期脉冲波形。波形的峰值为VCC，占空比 与上管的驱动波形的占空比相同。这样通过LC滤波之后，就会输出电压为Vcc乘以占空比的直流信号。

  上面波形就是通过上述半桥输出的PWM波形以及变化的直流信号。由于在这个过程中，两个MOS始终关断和截止两种状态，损耗接近似于0。电感与电容只是起到储能滤波的作用，也不损耗电能。因此上述电路能够对直流电源进行变换，而不损耗功率。这样就可以实现对于直流电源进行电压变换的目的了。

  什么？你说这个电路只能进行降压，不能进行升压是吗？

  实际上，这个电路也可以实现升压变换。只要将调换Uout与Vcc的位置，变可以实现输出电压提升的目的。

  对于我们无线充电问题来讲，由于接收线圈倍压整流后的直流电压为30~40V之间，而对于电容充电最大值一般不超过12V，所以使用上面降压的方式就可以了。

  下面是实验所使用的详细的电路原理图以及部分器件。这个电路的工作原理，在这里就不分析了。建议你根据IR2014数据手册来进行分析。

  上面的电路实现了对于输出电压的控制。如果负载为固定的电阻，那么实现输出功率，只需要根据要求，预先计算出所需要的电压，进而调节上面PWM的占空比，就可以完成恒定功率输出了。

  但是对于负载为储能电容来讲，它所吸收的功率等于充入的电流乘以电压，而电流又等于电压的变化率乘以电容值。因此在电容充电过程中，电压是在不断的变化着。

  假设对于电容采用恒定功率P进行充电，根据电容储能公式可以计算出电容两端的电压Uc(t)的随着时间的表达式。下图显示了电容衡功率充电的电压变化波形。

  如果电容的容值C是固定的，那么根据上述公式得到输出电压的表达式，再由它调节输出PWM的占空比，便可以实现电容恒功率充电了。

  为了完成上述PWM信号的产生，使用单片机来产生相应的PWM信号。按照已知的参数，产生相应的随着时间变化的PWM的占空比。下面是记录了充电功率P设定为10W，对于前面的电容组（6法拉）进行充电的数据曲线。包括有电容的电压和电源输出功率。

  从数据中可以看出，电容的电压大体是按照前面所示的恒功率充电电压变化的。电源输出功率在大部分的时间内都是相对平稳，只是在开始的时候，出现一段时间的死区时间。这是由于驱动电路IR2014s在上下桥臂驱动信号中插入了大约0.5微秒的死区时间，防止上下桥臂同时导通。

  由于这个死区时间的存在，使得在起始的时候，输出电压为0。只要输出PWM脉冲时间大于死区时间之后，才有真正的电压输出。后期的电源输出功率略微增加，也是由于死区时间所占的比重逐步减小，使得充电功率逐步变大。

  此外，输出端口的肖特基二极管的非线性也是造成起始阶段出现死区的原因。下图，是对于肖特基二极管测量得到的伏安特性，可以看出，在0.2V之前，输出电流很小，二极管处于截止状态。

  当电压超过0.25V之后，流过二极管的电流才能够大幅度增加。

  为了消除死区的影响，在计算PWM的占空比的时候，加上一个死区时间对应的常量，则可以减少死区的影响。下面就是根据IR2104s的死区时间对应的PWM周期的比例，增加了输出PWM的死区时间后，重新进行充电实验。可以看到，电源输出功率更加的平稳，基本上接近于恒定的功率，充电速度也提升了。

  到此为止，我们似乎有理由高兴了，因为基本上实现了恒功率无损将电能充入储能电容了。

  但是，对于追求完美的自动化专业的同学来说，上述方案中电源输出功率仍然不太稳定，这使得在实际应用过程中，为了避免超出无线发送极限功率而引起功率保护，需要留下一定的功率余量。另外，上面控制过程中需要使用到电容的参数，如果测量不准，或者使用过程中发生变化，也会引起充电功率波动。

  由于电路中还存在着MOS，二极管等非线性元器件，因此只是通过补偿无法做到精确控制充电功率。下面，则需要应用到另外一个神秘的工具：反馈控制。

反馈控制

  在你们模拟电子课程中，已经多次遇到通过“负反馈”原理来提高放大电路的稳定性，改善频带宽度等。这个概念将来会在信号与系统、自动控制原理中得到进一步的完善和加强。

  现在很多机器学习算法中， 对于神经网络参数的修正，实际上也是根据对于网络输出误差来优化神经网络的参数。在自动化专业中，我们称之为自适应，不过现在的人都在赶时髦，美其名曰“人工智能”。

  此处，通过反馈控制，达到充电功率恒定的原理如下图所示。首先能够对于充电功率进行测量，然后根据实际的充电功率与功率设定值进行比较，利用误差信号，通过PID控制算法，改变PWM占空比，进而改变充电功率，使其达到与功率设定值相同并保持稳定。

  你问，什么是PID控制算法？

  这是在自动控制原理课程中的一个基础概念，现在是无法展开来讨论它了，以后有时间我们专门来探讨。在这里，你可以将其想象成一个聪明的人，根据误差动态调整充电功率。在几十年前，人们对于这种自动化的过程也感到很神奇，但是它的机理确实非常简单和普世的。

  如何进行充电功率测量？

  实际上只要测量出充电电路的电流和电压，就可以计算出充电功率。下面的这个电路是在充电电路的电源中串入一个电流取样电阻，通过AD8217进行放大后形成电压信号，它与电源电压的分压信号一起送到单片机中进行计算，便可以得到充电功率了。

  实现功率计算以及PID调节算法都是通过单片机来完成。关于这方面具体的参数细节，将来会进一步展开讨论。

  现在到来令人激动的时刻，看看通过反馈控制所得到的结果。下图就是设定充电功率为10W，完成对储能电容的充电过程。可以看到整个充电功率非常平稳，它不随着电容电压的变化而产生波动。

  在这个过程中，没有使用关于电容充电电路模型公式，也没有考虑充电电路中的一些非线性的环节，只是应用到了反馈控制，便可以达到更加完美的控制效果。

  相对于这里的反馈控制，前面应用电容充电功率理论公式的方法一般称之为“前馈控制”。

  你问，通过反馈达到充电功率恒定有什么实际的意义呢？

  除了满足内心对于控制的完美追求之外，由于充电功率可以更加精确控制，因此在比赛中，可以充分使用无线充电系统的功率，不必考虑过多的余量，从而就可以大大提高充电的速度了。

  下面这个实验就是使用20W的充电功率，在不到20秒的时间内就可以将储能电容的电压充到10V，使其存储了300焦耳的能量。

  一方面这为比赛赢得了宝贵的时间，另一方面为车模存储了足够的电能。

  在实际电路实现中，还有一些因素需要考虑：

  如何产生充电控制电路的工作电源？

  如何确定充电功率？这可以根据组委会公布的比赛说明进行设定。也可以通过实际测试来确定最大可利用的充电功率。

  在比赛中，如何优化充电方案，如何能够有效利用电容中的电能，将其中的每一焦耳的电量都用于比赛中的车模行进中。

  当然，对于参加智能车节能组比赛的同学来讲，有效完成无线电能的收割和存储只是完成比赛的一个必要条件。要想在比赛中胜出，关键还需要制作 一个控制性能优良，非常节能的车模。这方面，出来对于往届比赛已有的方案进行学习和筛选之外，还需要通过实际制作完成方案的选择和参数的优化。

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net，作者：卓晴，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

原文链接：zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104120669