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100法拉電容生猛無線充電背后的原因

2021/05/06
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簡 介: 對于今年參加全國大學(xué)生智能車競賽無線節(jié)能組的同學(xué)來講,在拿到無線信標(biāo)模塊的時候發(fā)現(xiàn)充電的功率可以遠大于自稱的50W的限制(實際上沒有限制)。在這個過程中,就出現(xiàn)了“有的人撐死、有的人餓死”。那么這其中背后的原因是什么呢?本文根據(jù)信標(biāo)模塊提供商發(fā)送過來的測試結(jié)果以及其他相應(yīng)的信息,給大家講講在單片機開發(fā)過程中進行不同廠家單片機軟件移植過程中需要注意的問題。

01 無線充電到底多生猛?


  今天看到一則 全國大學(xué)生智能車競賽[1] 中的 節(jié)能信標(biāo)組[2] 無線充電的過程。原本需要50W限制功率的充電過程,在這里顯示為高歌猛進的火中取栗的過程。

1.法拉電容容量:12F

  比如下面是通過放電電阻將60法拉(5個串聯(lián),電容為12F)的儲能電容點釋放完畢之后,在無線充電線圈輸出經(jīng)過LCC補償之后獲得的充電過程。整個充電過程,從0V到9V大約花費了16秒的時候。

  根據(jù)電容容量,充電電壓,可以計算出對應(yīng)的沖入電荷的量。假設(shè)在此過程中,由于LCC網(wǎng)絡(luò)的作用,整個充電過程的電流是恒定的,那么充電電流就等于

▲ 60F儲能電容無線充電過程

  在整個的充電過程中,輸出穩(wěn)壓電源顯示的電壓約為 21V~24V ,電流在4A左右,充電功率達到100W。

2.法拉電容容量:20F

  下面是對于100F(5個串聯(lián),對應(yīng)20F容量)從0V充電9V大約花費了26秒時間。根據(jù)同樣的公式,可以計算出平均充電電流為

  后期的萬用電源輸出的電能參數(shù):

 ◎  充電穩(wěn)壓電源功耗:
   電壓(V):24.1
   電流(A):4.75
   功率(W):114.5

▲ 100F儲能電容充電過程

3.無線電能接收電路

  下面是上述無線電能接收電路,使用了 LCC無線充電補償回路[3] ,對于線圈產(chǎn)生的高頻電壓(150kHz)進行電能收割。

  據(jù)說原本設(shè)計是5A充電電流,但適當(dāng)增加Cp(并聯(lián)電容)時,充電電流就會大大增加。比如上面20F充電時,平均電流就達到了7A。

▲ 充電LCC補充電路及其參數(shù)

  具TSINGHUAZHUOQING公眾號學(xué)生留言,有的隊伍通過調(diào)整LCC參數(shù)達到了可怕的10A充電電流。

02 啥原因造成功率不受控制?


1.功率不受限制

  在原本 無線節(jié)能組的充電發(fā)送電路[4] 設(shè)計過程中,為了遵循 無線充電(電力傳輸)設(shè)備無線電管理 暫行規(guī)定[5] ,通過內(nèi)部的 輸出功率限制硬件和軟件[6] 實現(xiàn)了對于實數(shù)功率的控制。但是,最近仍然不斷有隊伍反映實際購買到的無線充電模塊輸出功率大大超出了50W的限制。

▲ 移動充電設(shè)備技術(shù)要求

  比如在 有的人撐死,有的人餓死,有的人嚇?biāo)繹7] 中,來自于杭州電子科技大學(xué)的參賽隊伍也測出高達80W的充電功率。

2.可能原因

  現(xiàn)在根據(jù)無線節(jié)能驅(qū)動模塊供貨商分析,其中最大的可能是電路中U6(也就是無線充電控制MCU)單片機的種類更換問題,由原來的STM32F030F4修改成了XM1008F6P6。

  問題是,這個單片機在 信標(biāo)節(jié)能電路模塊第二版本調(diào)試-無線充電-2021-3-21[8] 調(diào)試過程中,是驗證了可以進行功率控制的。為何現(xiàn)在他們通過調(diào)試,發(fā)現(xiàn)這個單片機在讀取電流信號的時候始終是0!

  對比前后出現(xiàn)的問題,發(fā)現(xiàn)問題可能出現(xiàn)在軟件下載的環(huán)節(jié)上:

  • 在 信標(biāo)節(jié)能電路模塊第二版本調(diào)試-無線充電-2021-3-21[5] 中,軟件是通過XM1008F6P6的UART1 的Bootloader下載到單片機中;在信標(biāo)提供商,他們使用J-LINK通過SWD下載的XM1008F6單片機中。為了能夠下載,他們還修改的程序的配置。

▲ 為了使得JLINK能夠下載他們修改了配置

  因此,這也就給出了造成現(xiàn)在功率不受控制的原因了:修改了單片機工程配置造成了XM1008F6不能夠正確讀取電流值,從而造成了無法限制功率。

03 解決方案


  沒有別的,只能選擇以下兩種方案:

  • 還是使用STM32F030F4;或者對于XM1008F6使用Bootloader下載,這樣就可以避免修改配置文件了。

  當(dāng)然了,還有一個方案,那就是不對無線充電模塊進行功率限制,這樣整個的比賽過程就可以變得更加的緊張刺激。雖然這有可能稍微突破了關(guān)于移動充電的國家標(biāo)準(zhǔn)。

100法拉電容充電過程

※ 分析總結(jié)


  從上述分析,也解決了近些日子對于無線充電模塊中同學(xué)們反應(yīng)的功率不受限制的問題。歸根結(jié)底來自于國產(chǎn)的能夠兼容ST公司的單片機在下載的時候還是對于型號出現(xiàn)了不匹配的地方。但如果使用Bootloader進行程序下載,可以避免由于下載器提出的錯誤將兩種ST的單片機的執(zhí)行代碼直接下載到XM1008中去,它們在二進制代碼級別是完全兼容的。

  當(dāng)然,到現(xiàn)在為止,對于出現(xiàn)的前面的問題 還只是根據(jù)現(xiàn)階段的結(jié)果進行的分析,究其真正原因還需要進一步的驗證。


參考資料

[1]

全國大學(xué)生智能車競賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[2]

節(jié)能信標(biāo)組: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115972217

[3]

LCC無線充電補償回路: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116272768

[4]

無線節(jié)能組的充電發(fā)送電路: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/114313236

[5]

無線充電(電力傳輸)設(shè)備無線電管理 暫行規(guī)定: http://www.cnii.com.cn/gxdt/202102/W020210219709257414546.pdf

[6]

輸出功率限制硬件和軟件: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/114597616

[7]

有的人撐死,有的人餓死,有的人嚇?biāo)? https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115997720

[8]

信標(biāo)節(jié)能電路模塊第二版本調(diào)試-無線充電-2021-3-21: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115040882


那么問題來了,你們認為今年的節(jié)能信標(biāo)組是否需要功率限制呢?

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公眾號TsinghuaJoking主筆。清華大學(xué)自動化系教師,研究興趣范圍包括自動控制、智能信息處理、嵌入式電子系統(tǒng)等。全國大學(xué)生智能汽車競賽秘書處主任,技術(shù)組組長,網(wǎng)稱“卓大大”。