100法拉电容生猛无线充电背后原因

Posted 2021-05-08 卓晴

简 介： 对于今年参加全国大学生智能车竞赛无线节能组的同学来讲，在拿到无线信标模块的时候发现充电的功率可以远大于自称的50W的限制（实际上没有限制）。在这个过程中，就出现了“ 有的人撑死、有的人饿死 ”。那么这其中背后的原因是什么呢？本文根据信标模块提供商发送过来的测试结果以及其他相应的信息，给大家讲讲在单片机开发过程中进行不同厂家单片机软件移植过程中需要注意的问题。

关键词： 无线充电，STM32F030F4，XM1008P6，ARM，智能车竞赛，节能信标组

 

01 无线充电到底多生猛？

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  今天看到一则 全国大学生智能车竞赛 中的 节能信标组 无线充电的过程。原本需要50W限制功率的充电过程，在这里显示为高歌猛进的火中取栗的过程。

1.法拉电容容量：12F

  比如下面是通过放电电阻将60法拉（5个串联，电容为12F）的储能电容点释放完毕之后，在无线充电线圈输出经过LCC补偿之后获得的充电过程。真个充电过程，从0V到9V大约花费了16秒的时候。

  根据电容容量$C$，充电电压$U_{9V}$，可以计算出对应的冲入电荷$Q=C\cdot U_{9V}$的量。假设在此过程中，由于LCC网络的作用，整个充电过程的电流是恒定的，那么充电电流$I$就等于$$I=\frac{Q}{T}=\frac{C\cdot U_{9V}}{16}=\frac{12\times 9}{16}=6.75A$$

^{▲ 60F储能电容无线充电过程}

  在整个的充电过程中，输出稳压电源显示的电压约为 21V～24V ，电流在4A左右，充电功率达到100W。

2.法拉电容容量：20F

  下面是对于100F（5个串联，对应20F容量）从0V充电9V大约花费了26秒时间。根据同样的公式，可以计算出平均充电电流为$$I=\frac{Q}{T}=\frac{C\cdot U_{9V}}{26}=\frac{20\times 9}{26}=6.92A$$

  在充电后期电源输出的电能参数：

充电稳压电源输出参数：

电压（V）：24.1
电流（A）：4.75
功率（W）：114.5

^{▲ 100F储能电容充电过程}

3.无线电能接收电路

  下面是上述无线电能接收电路，使用了 LCC无线充电补偿回路 ，对于线圈产生的高频电压（150kHz）进行电能收割。

  据说原本设计是5A充电电流，但适当增加Cp（并联电容）时，充电电流就会大大增加。比如上面20F充电时，平均电流就达到了7A。

^{▲ 充电LCC补充电路及其参数}

  具TSINGHUAZHUOQING公众号学生留言，有的队伍通过调整LCC参数达到了可怕的10A的充电电流。

 

02 啥原因造成功率不受控制？

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1.功率不受限制

  在原本 无线节能组的充电发送电路 设计过程中，为了遵循 无线充电（电力传输）设备无线电管理 暂行规定 ，通过内部的 输出功率限制硬件和软件 实现了对于实数功率的控制。但是，最近仍然不断有队伍反映实际购买到的无线充电模块输出功率大大超出了50W的限制。

^{▲ 移动充电设备技术要求}

  比如在 有的人撑死，有的人饿死，有的人吓死 中，来自于杭州电子科技大学的参赛队伍也测出高达80W的充电功率。

2.可能原因

  现在根据无线节能驱动模块供货商分析，其中最大的可能是电路中U6（也就是无线充电控制MCU）单片机的种类更换问题，由原来的STM32F030F4修改成了XM1008F6P6。

  问题是，这个单片机在 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21 调试过程中，是验证了可以进行功率控制的。为何现在他们通过调试，发现这个单片机在读取电流信号的时候始终是0！

  对比前后出现的问题，发现问题可能出现在软件下载的环节上：

• 在 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21 中，软件是通过XM1008F6P6的UART1 的Bootloader下载到单片机中；
• 在龙邱，他们使用J-LINK通过SWD下载的XM1008F6单片机中。为了能够下载，他们还修改的程序的配置。

^{▲ 为了使得JLINK能够下载他们修改了配置}

  因此，这也就给出了造成现在功率不受控制的原因了：修改了单片机工程配置造成了XM1008F6不能够正确读取电流值，从而造成了无法限制功率。

 

03 解决方案

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  没有别的，只能选择以下两种方案：

• 还是使用STM32F030F4；
• 或者对于XM1008F6使用Bootloader下载，这样就可以避免修改配置文件了。

  当然了，还有一个方案，那就是不对无线充电模块进行功率限制，这样整个的比赛过程就可以变得更加的紧张刺激。虽然这有可能稍微突破了关于移动充电的国家标准。

100F储能电容充电过程

 

※ 分析总结

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  从上述分析，也解决了近些日子对于无线充电模块中同学们反应的功率不受限制的问题。归根结底来自于国产的能够兼容ST公司的单片机在下载的时候还是对于型号出现了不匹配的地方。但如果使用Bootloader进行程序下载，可以避免由于下载器提出的错误将两种ST的单片机的执行代码直接下载到XM1008中去，它们在二进制代码级别是完全兼容的。

  当然，到现在为止，对于出现的前面的问题 还只是根据现阶段的结果进行的分析，究其真正原因还需要进一步的验证。

60F储能电容充电过程

 

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■ 相关文献链接:

• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 关于无线节能组无线电能输出功率测量
• 用于计算无线充电中LCC补偿网络器件参数的小程序
• 无线节能信标调试说明-2021-3-3
• 无线充电（电力传输）设备无线电管理 暂行规定
• 无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制
• 有的人撑死，有的人饿死，有的人吓死
• 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21

⊙ 补充说明

根据龙邱的反馈，是在STM32F030F4的配置文件中关于ADC Configuration中，对于Continuous Conversion Mode没有设置成 Enabled引起的ADC转换问题。

这一点需要再次验证一下：

• 为什么一起，在最初调试的时候没有注意到这个问题？
• 是否现在仍然可以限制功率？
• 这个如果是后来出现的，在什么时候？因为什么变成的了Disabled ?