基于沁恒CH32V203的无线充电开源项目发布

(资料图)

一、前言

第十八届（2023年）全国大学生智能汽车竞赛规则已发布，沁恒微电子很荣幸继续为大赛提供赞助。其中电能接力组限定使用沁恒微电子的MCU作为主控，单车越野组和完全模型组也可以选择使用沁恒微电子的单片机。为更好的支持广大高校的同学们参赛，沁恒在为大赛提供经费赞助支持的同时，还为各参赛高校准备了免费样片CH32V307和免费调试器WCH-LinkE供大家申请，且委托了逐飞帮助发放。

在技术支持方面也联合逐飞在整个备赛过程中为大家提供支持工作以及提供相关学习资料，针对今年电能接力组的需求，逐飞制作了基于沁恒CH32V203的无线充电开源项目，作为学习资料开放给大家参考，也就是今天推文的主题：基于沁恒CH32V203的无线充电开源项目发布

二、基于CH32V203的无线充电发射端开源简述

2.1、硬件方案简述与性能展示

经历了漫长的方案验证与测试后，全新的全桥无线充电发射端终于能和大家见面了，应该有不少同学也已入手实测了。当前的无线发射端统一使用150W峰值功率的固件，这是受限于器件一致性，为了保证有一个较好可用标准而默认的稳定固件版本。

2.1.1、核心硬件构成与控制简述

无线发射端上使用的是全桥驱动方案。全桥方案带来的好处就是可以用12V供电（等效24V半桥），不过对应的供电电流会翻倍。

使用全桥移相控制（A/B桥臂输出固定50%占空比PWM，使用PWM的相位差控制H桥输出），属于PWM硬开关，由于实际应用过程中距离是变化的，所以互感值也是变化的。

沿用LCC补偿方案，以12V供电，全桥驱动（全桥控制输出到LCC是24V，下图的LCC计算器是默认全桥控制，因此输入的Ubus=12V，计算时实际为24V50%占空比方波）、75W接收（最初的设计）、150KHz工作频率、线圈32μH参数计算得到我们无线发射端LCC电路的器件参数参考值（互感值M沿用的旧参数，实际应用需要修改）。

硬件部分上再加上主控单片机部分的稳压、最小系统、母线电流检测、总线电压检测、冷却控制与状态显示就完整了。

2.1.2、实机性能测试

那么在默认固件状态下，无线发射端表现怎么样呢？这里使用可调稳压源来供电，统一测试标准为：线圈紧贴测试、从0V充电至接收端保护触发（约为13V，实际电容电容并未充电到13V，电容容量越小，虚电越高，例如22F五串可能实际充电到11V左右，100F五串实际充电到12.2V左右）（一般按照充电到12V来计算）（视频计时是60进秒，也就是0:60为1秒，那么换算为纯秒计算应该是 4+41/60=4.683s）。

设计时是按照固定阻性负载计算的理论值，但实际应用时是给电容充电，容性负载等效阻值随电容电量变化，因此平均效率较理论计算会有差异。并且随着发射端功率的上升，相较设计功率偏差增大，转换效率就会随之下降（75W接收设计的LCC参数与实际150W*0.8=120W的实际输出偏差过大）。

虽然默认固件版本是150W，但150W并不是上限，在不修改LCC参数的基础上，修改固件继续提升发射功率，虽然效率会变低，但是力大砖飞！还是能有更高的接收功率。

但Pro版300W发射固件和Ultra版500W发射固件测试数据仅供参考，因为这已经远远超出了硬件LCC配置参数设计时所设定的75W接收功率了……效率不可避免的会下降严重。

Pro版300W发射固件容性负载测试（由于LCC参数偏差过大，12V下只能达到210W左右）：

Ultra版500W发射固件容性负载测试：

在默认的LCC参数下，发射端功耗上限越高，那么效率其实会下降（并未多次测试取均值）并且出现波动。效率下降意味着有更多的功率耗以热量与漏感电磁干扰的形式消耗掉，因此不能长时间维持高功率工作。

2.2、软件结构简述

软件上核心部分为功率控制与母线电流电压检测，主要的软件结构为：

对应到工程结构为：

charge_config.h文件中为固件的主要参数设定：

charge_control.c/h为功率控制部分，主要为功率控制PID与移相控制；

display_handler.c/h为数码管显示部分，用于显示功率与状态；

key_handler.c/h为按键交互部分，用于处理使能信号与按键控制；

pit_handler.c/h为PIT中断部分，用于初始化PIT与PIT任务执行调用；

power_sample.c/h为功率采样部分，对母线电压、电流进行采样滤波，并检测是否超过安全功率阈值或者电池低电量；

2.3、无线充电系统LCC参数设计与测试

LCC功率补偿系统虽然可以直接参考我们的参数进行设计，但如果想要更好的效果，自然是根据各自的硬件进行定制会更好。在这里需要特别提醒同学们：使用LCC功率补偿的无线充电系统想要达到较高的转换效率，LCC的参数需要比较精准，器件参数与理论参数偏差越大，接收效率越低，如果参数匹配误差过大，甚至有可能会损坏器件。

在进行参数计算前需要先明确理论设计参数会存在的几个问题：

1、所有计算是理想的理论计算，实际应用时必然会有误差；

2、输出端线圈与接收端线圈的互感值M会随着线圈形状与距离产生变化，因此计算是按照固定距离固定线圈的固定模型计算；

3、默认是按照1:1匝比的线圈来计算，也就是使用两个一模一样的线圈作为收发线圈；

4、计算中负载是使用的阻性负载，但参赛实际应用是给电容充电，容性负载的阻抗是随着充电过程变化的，因此实际应用时不能全程工作在最佳效率。

2.3.1、使用24V供电的全桥驱动的LCC参数计算与验证

那么假定接收端使用全桥整流，输出端负载电阻为10Ω，无线充电系统工作在150KHz，发射端发射线圈实际约为31uH，线圈互感使用9.5uH（线圈间距约为4cm），接收端设计功率为240W，按照80%的接收效率那么发射端功耗在300W：

计算得到参数后进行实际硬件电路的配置，但使用的Lp电感实际为4.11uH，通过LCC反向计算得出配置信息可以发现相较原参数有差异，因此实际配置时参数要求配置的比较精确，否则就会导致效果偏差（电感有误差，电容也有误差，误差累积之后偏差就变大了）。

按照此参数进行配置，控制输出固定90%移相（180°*0.9=162°相位差，为了不炸板子没有全开），请务必注意，实际使用过程中不能开环使用，开环使用无法控制功率，极容易导致过载烧毁电路，相较48V50%占空比方波会低一些等效电压，那么实际测试结果如下：

由于使用的功率电阻有差异（不能很好的凑出一个10Ω的负载电阻，只能大致近似），并且实际全桥会有一定损耗，因此测试数据仅供参考。发射端功率304.6W，接收端输出47.4V* 4.8A=227.52，效率为227.52/304.6=74.6947%。

将线圈距离拉远（间距约为11cm），这会使得互感M值变化，导致感应电压下降，同时连带反射电阻发射变化，因此功率与效率都会下降（33.24*3.4/154=73.387%）：

2.3.2、使用12V供电的全桥驱动的LCC参数计算与验证

如果使用12V供电，那么按照300W发送240W接收功率来计算，同样根据实际获得的Lp电感值反推计算进行矫正：

通过计算得到的LCC参数值可以明显的看出来，当输入电压越低设计功率越高时，Lp电感值的细微变化都会引起参数的较大变化。这是因为输入电压低且设计功率高时，等效的电抗就会变低，因此Lp数值会比较低，此时数值误差百分比就会变大（0.1的偏差，当Lp为5时，仅有2%偏差，当Lp为2时，就有5%偏差）。高设计功率下系统电压越低这种偏差越明显。

同样的控制输出固定90%移相，相较24V50%占空比方波会低一些等效电压，由此导致些许的效果偏差，并且由于使用的功率电阻有差异（24V供电测试时提过的器件误差问题），并且实际全桥整流会有一定损耗，因此测试数据仅供参考。那么实际测试结果如下：

发射端功率297.5W，接收端输出38.7V*3.8A=147.06W，效率为147.06/297.5=49.4319%。效果不佳，通过修改Cpp调整参数，最佳时能到达55%左右，但依旧不算太理想。

2.3.3、测试结果分析

在24V供电下的300W发射240W接收设计测试较为接近设计值，但是依旧有一些偏差，针对12V供电下300W发射240W接收设计测试效果不理想进行分析，可能的原因为：

1.由于设计功率的上涨，导致LCC基本电抗下降，因此Lp数值也变得敏感，发射端与接收端的Lp只是近似，导致发射与接收各自有误差，相对也有误差；

2.并未使用180度相位差的移相控制，导致U0低于计算设定值，会导致一些误差；

3.发射与接收线圈测试时与实际使用时的数值有些许变化，因为预留的很长的接线，线路重叠与否会影响电感与互感值，这里的差异由于无法测量不好估计；

4.测量与计算中取用了一些近似值，例如测量时发射与接收电感分别是30.83uH与31.11uH，取了个整数31uH来计算，但不是很大的误差；

5.硬件上没法准确的凑出需要的Cpp与Cps的数值，不过尽量控制在了1nF以内。

通过24V与12V供电下进行设计与测试验证，得到如下几个结论：

1.如果需要设计高功率系统，那么24V供电全桥驱动具有更好的参数兼容；

2.需要根据实际器件来进行参数纠正，否则可能会导致效果不理想；

3.理论计算提供参考，实际现象会受到器件误差、应用场景变化的影响；

由于测试是全桥接近全开输出，实际上在应用中这么暴力开环可能会有安全隐患，需要增加调控与保护措施。

举个典型的例子，假设设计车模充电时收发线圈之间间隔4cm，但实际车模对接时可能过近或者太远，如果使用固定全桥输出的话就会导致发射功耗不确定，贴的太近线圈的互感会很大，实际功率就很很高，如果器件耐压不够，就会导致器件损坏，如果电源输出能力不够，就会导致发射端电压被拉低等问题。

因此控制程序中通过移相控制A/B相的相位差来调控LCC的输入电压来控制发射功耗，这样肯定会影响系统的接收效率，但一个好的系统是不能缺少冗余设计和保护设计的。

2.3.4、LCC参数计算整理

负载电阻、全桥整流等效电阻的计算方式在卓老师以往的推文中有详细的原理介绍，这里仅整理公式，各位可以在卓老师的博客、公众号上找到对应的文章学习。

其中根据最优接收效率设计，按照卓老师的《无线充电系统在输出部分采用LCC拓扑结构综述研究》文章描述：

三、开源与开放

如上文所说，无线发射端的软硬件将在gitee上开源，仅供参赛同学参考学习使用，请勿用于商业用途，开源链接：

https://gitee.com/seekfree/CH32V203_Wireless_Charge_Project

在本届的电能接力组的验证过程中我们也学习到了很多知识，同时狠狠的再次认识到了模电的魔幻。在反复的LCC的设计、测试过程中，明确的体会到到纯理论计算与实际效果的差异，这种差异可能受限于器件比较难以消除，但理论计算作为实际硬件设计指导是十分重要的。希望我们的开源分享能为大家的进步提供一点支撑，预祝大家都能在制作智能车的过程中收获到更多的知识，更大的成长，后续逐飞还会发布基于沁恒CH32V307的无刷双驱开源项目和基于沁恒芯片在无线充电赛题中应用的直播分享，敬请关注。

最后，让我们再来看一组无线充电演示的视频吧：

从视频中我们可以看到，用于测试的这个无线充电发射模块的固件中对功率限制进行了提高，接收端也用了新设计的无线充电接收模块，我们测试了12V和24V两种电压下的各种充电功率下各种超级电容的充电时间，其中最大测到了500W，这种情况下超级电容的平均电流都能超过30A，其实功率还可以更大，在我们调试过程中去追求了一下这个硬件结构的极限，可以达到600W以上，但当功率大到一定程度后，超级电容的储能能力也受到了一定的挑战，就如同我们把水龙头开到很大的时候去接水，看着杯子满了，拿开发现是虚满，所以超级电容其实也有类似的情况，在电容容量较低而充电功率较高时，会出现接收端输出检测到的电压一下就被抬升到保护阈值（13V左右），从而就自动关断了，关断之后检测到的电压又下去了，于是又开始启动，又虚满，又断开，有一定的风险，所以也不需更大了，500W应该是完全足够了，所以视频中测试到500W就没再往上继续提高了。另外也需要注意目前在售的接收端是不能达到这么高的功率和效率的，需要自行参考上文的讲解进行调试和匹配，比如更换二极管和更高效率的方案。因为本身也需要同学们自行制作，所以这个过程需要大家去自行调试和优化的。

当调试到超过600W的时候，我也是瑟瑟发抖的

好了，本期的开源项目介绍就到这里了，电能接力组的无线充电学习套件和超级电容组均已上架逐飞淘宝店，感谢各位支持（seekfree.taobao.com），你们的支持是我们开源的动力，如果能帮到大家，深感荣幸。特别提示，无线充电发射与接收模块在比赛作品中都需要自制，逐飞的学习套件仅供学习参考使用。

时间紧张，水平有限，方案并非最优，仅供参考，大神轻拍，如果开源项目中有任何BUG，欢迎留言反馈，逐飞会持续维护和完善，我们一起进步，也可通过QQ群与我们进行交流讨论（WCH沁恒电能接力组交流群--逐飞科技：700507120）。欢迎各位持续关注“逐飞科技”微信公众号，逐飞的开源项目、技术分享及智能车竞赛的相关信息更新都会在该公众号上发布。