作品介绍：本小车能够实现无线充电和断电自动启动的功能，平地稳定行驶、坡道稳定爬坡。本系统采用耦合互感线圈，通过电源管理芯片发射高频正弦信号，接收系统使用全桥电路进行全波整流为储能系统供电；使用TPS63020芯片，对整流后的DC稳压，为后级电路系统提供稳定电压，降低了动力系统最低驱动电压；使用TLV3501高速比较器，控制作为动力系统稳压源的TPS63020芯片，开关动力系统。本系统在车体部分以航空模型塑料为底盘材料，使车体质量大幅降低；使用空心杯减速电机和两级齿轮传动系统降低电机转速，提高系统的动力水平；应用橡胶材料作为车轮外胎，提高与地面的摩擦力，增大动力矩，提升能量输出效率。本系统能够高效地为法拉电容充电，在平地上稳定行驶较远距离，在高角度坡面上稳定爬坡。
参赛心得：此次竞赛是我们上大学以来参加的最正规最技术性的科技类比赛，参赛期间我做了无线充电小车系统，作品几乎完美的实现了功能.在这写过程中我学到了很多，不仅仅是技术上的提升，在此期间我懂得了团队的重要，锻炼了我的心态。 以前我学的都是理论性的知识，几乎没做过时间，而电赛就是一个把理论知识和实践知识结合的比赛，纸上得来终觉浅，此次竞赛极大地提升了我的动手能力并将之前的很多理论与实践结合，实在是难能可贵的经历。明年就是两年一度的大赛，经过今年TI杯的洗礼，我觉得我们成熟了很多，希望明年大赛能取得更好的成绩
摘要
本小车能够实现无线充电和断电自动启动的功能，能够平地稳定行驶、坡道稳定爬坡。本系统采用耦合互感线圈，通过电源管理芯片发射高频正弦信号，接收系统使用全桥电路进行全波整流为储能系统供电；使用TPS63020芯片，对整流后的DC稳压，为后级电路系统提供稳定电压，降低了动力系统最低驱动电压；使用TLV3501高速比较器，控制作为动力系统稳压源的TPS63020芯片，开关动力系统。本系统在车体部分以航空模型塑料为底盘材料，使车体质量大幅降低；使用空心杯减速电机和两级齿轮传动系统降低电机转速，提高系统的动力水平；应用橡胶材料作为车轮外胎，提高与地面的摩擦力，增大动力矩，提升能量输出效率。本系统能够高效地为法拉电容充电，在平地上稳定行驶较远距离，在高角度坡面上稳定爬坡。
关键词： 无线充电 功率 自动控制 DC-DC变换 低质量车体
1.系统总体框架与方案论证
1.1系统总体框架
本系统主要由无线电能发生装置，无线电能接收装置，储能模块，DC-DC稳压装置，小车动力系统组成。
系统整体框架如图1所示：
1.2方案论证与比较
1.2.1无线电能发生装置的选择
方案一：缠绕多匝线圈，通过双向PWM推挽MOS管电路，产生交变磁场电磁感应传递电能。经过测试，自行绕制的线圈传递能量效率低，电磁场能流密度不高，功耗大。
方案二：通过已有电源管理IC产生交变电流，通过线圈激发交变磁场，传递能量。线圈采用市面上机器绕制的纱包线圈，效率高，效果好。因此我们选择方案二。
1.2.2无线电能接收装置
本系统采用机器绕制的与发射线圈等面积的线圈。线圈采用纱包线材质，绝缘好，强度高。
接收装置通过电源管理IC和全桥进行全波整流，供给法拉电容电能。
1.2.3储能模块
通过测量无线充电装置的效率，经过计算得到最佳规格的法拉电容：三枚5.5V@1F的超级电容，该规格和数量的法拉电容在无线充电系统下1分钟之内获得的电量与质量的比值最低，小车动力效果更好，因此我们采用此规格的法拉电容作为储能模块。
1.2.4DC-DC稳压装置
本系统采用TI公司生产的TPS63020 DC—DC芯片作为稳压IC，将法拉电容提供的电压稳定为小车动力系统所需的最佳电压。
该芯片能够在储能系统提供的电压小于小车动力系统所需电压时保障能量供给，使储能模块中的能量最大程度地释放。
1.2.5小车动力系统
为了使动力系统最大程度地使用储能系统中的能量，我们使用空心杯减速电机，该电机质量轻，转速高，发热小，适合本系统应用。
同时我们使用轻质材料改装小车，减小非动力部分系统的质量，降低能耗与质量的比值，进而提高效率。
2.理论分析与计算
2.1系统总体理论分析
根据前面的分析，设计出本系统的总体框架如下图所示：
2.2模块电路设计及参数计算
2.2.1 电能传递系统
为了提升无线充电的效率，本系统使用一枚5V升12V的开关电源芯片，将稳压电流源供给的电压升至12V，通过一枚无线充电电源管理芯片处理输出为交变电流，通过线圈以交变磁场的方式发射至接收系统。
2.2.2 电能接收系统
我们采用线圈互感,获得交流电，再通过整流桥进行全波整流，稳压，获得稳定的直流电。
2.2.3 TPS63020 DC-DC Buck&Boost 系统
我们采用TI公司生产的TPS63020芯片，该芯片具有Boost升压、Buck降压功能，能够工作在较大电流情况下。
本系统共使用两片TPS63020芯片。
片一：用于将来自法拉电容的电流稳压，通过芯片的使能引脚给控制系统提供控制接口，同时给动力系统提供稳定的电源。
片二：用于将来自法拉电容的电流稳压，给控制系统（TLV3501比较器）提供稳定的电源。
2.2.4 TLV3501控制系统
我们采用TI公司生产的TLV3501 Rail to Rail 高速比较器。比较充电电路上一段二极管两端的电压，来控制动力系统的使能情况。
2.2.5 法拉电容储能装置
本系统采用三枚5.5V@1F的超级电容。通过TPS63020稳压系统，该电容能够以更高的效率收集能量，并且能够在提供电压小于动力系统工作电压时，继续工作，提高释放能量的效率。
2.2.6 动力系统
动力系统由一枚3.3V空心杯电机和减速齿轮组构成。空心杯电机质量小，转速高，输出功率与质量的比值大，更加节能。减速齿轮组能够提高动力系统的动力矩，为小车提供更大的动力。
小车的其他部分自行组装，简化小车结构，在保持小车基本功能的情况下，最大程度地降低质量，提升能量利用率。
3.电路设计
3.1整体电路设计
整体电路设计如图3所示：
无线充电电能发射端通过电源管理IC输出正弦波，接收端处的全波整流桥将交流电调制为直流电，供给给后级电路。一部分供给TPS63020，该稳压芯片输出稳定电压供给TLV3501监测控制系统。监测控制系统在充电时关闭动力系统，在断电时打开动力系统。
3.2监测控制系统
通过一枚低压降的二极管，一片TLV3501高速比较器构成监测控制系统。比较器比较二极管两端电压，获得电能供给情况。
当充电时，二极管导通，比较器同相输入端电压大于反向输入端，比较器输出低电平，失能供给动力系统的TPS63020芯片。
当停止充电时，二极管截止，比较器同相输入端电压小于反向输入端，比较器输出高电平，使能TPS63020供给动力系统。
3.3TPS63020稳压系统
TPS63020是一款DC-DC芯片，能工作在较低功耗水平，同时兼顾高电流输出。使用TPS63020芯片构造稳压
通过调节接在TPS63020 FB引脚处的电阻R4、R5：
根据以上公式计算得到Vout 电压，实现稳压功能。
4.测试方案与测试结果
4.1水平启动测试方案与结果
4.1.1 水平测试方案
将无线充电装置固定在水平面上，小车放置在设定好的充电位置。启动电源，设置供电电压为5V，供电电流为1A。1分钟后，关闭电源，小车启动。
待小车停下后，使用长卷尺测试小车行驶距离。
4.1.2 水平测试结果
表1 水平测试结果表
4.2坡面启动测试方案与结果
4.2.1坡面启动测试方案
将无线充电装置固定在坡面上，是小车放置在设定好的充电位置，启动电源，设置供电电压为5V、供电电流为1A，1分钟后，关闭电源，小车启动。
待小车停下后,记录完整爬坡1m的次数，并记录最后一次爬行的长度，同时使用手机APP“指南针”,获得坡面角度。
在多种角度下测试，获得爬升距离最高的角度。
使用如下公式计算爬升高度。
（θ为坡面与地面的夹角，l为行驶长度）
4.2.2 坡面测试结果
4.3线圈传递效率测试方案与结果
4.3.1线圈传递效率测试方案
线圈传递效率的公式如下：
η = Preceive / Psend
Psend 可以线性稳压电源上产生的数据计算得到
Psend = Usend x Isend
Preceive 由整流桥输出的电压 Ureceive 和整流桥输出的电流 Isend 计算得到Preceive = Ureceive X Ireceive
将无线充电装置固定在坡面上，是小车放置在设定好的充电位置，启动电源，设置供电电压为5V、供电电流为1A。
在整流桥输出点处串联电流表，在整流桥输出点与地之间并联电压表。
读取线性电源上的电压、电流数据。读取电压表和电流表的数据，得到结果如表3。
4.3.2线圈传递效率结果
表3 线圈传递效率测试表
4.3.3测试分析与结论
根据上述测试数据，可以得到以下结论：
1、此装置可以以较高效率无线充电。
2、可以在规定时间内接受到足够的电能。
3、小车可以稳定爬坡。
综上所述，本设计达到设计要求。
5.附录
附件1 TPS63020 应用PCB原理图
京公网安备 11010802033920号
