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标准版 基于无线电感式充电的抽水系统

简介:本设计旨在建立一个基于无线电感式充电的抽水系统。根据题目要求,需要利用5V 1A电源,经过无线充电电路给电容充电,然后使用电容存储的电能驱动水泵抽水,这其中需要尽可能地提高传递、存储能量的效率。

开源协议: CC-BY 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2022-06-14 20:45:46
更新时间: 2023-12-08 11:29:44
描述

本设计为广州市六校联赛获奖作品,赛题为基于无线电感式充电的抽水系统。参赛队伍是中山大学的猫猫不用上大学队。

 

题目要求

基于无线电感式充电的抽水系统:

 

        设计并制作一个基于无线电感式充电的抽水系统,抽水系统采用直流电压供电的抽水电机或者抽水泵,进水口液面与出水口垂直高度差至少 1m,抽水软管横截面积不做限制,示意图如下图所示。无线充电装置采用电感线圈耦合,圆形无线充电装置发射线圈外径不大于 20cm,接收线圈与发射线圈间距至少保持6mm 距离,仅采用超级法拉电容作为抽水系统的充电、储能元件。无线充电系统由一台 5V 的直流稳压电源供电,输出电流不超过 1A,充电时间为不超过 60s. 

       详细题目要求参考附件。

 

题目分析

        根据题目要求,需要利用5V 1A电源给电容充电,然后使用电容存储的电能驱动水泵抽水,这其中需要尽可能地提高传递、存储能量的效率。

        我们设计的系统的主要组成部分为:充电指示灯、升压电路、无线充电电路、超级法拉电容组、直流抽水泵。电源提供的电流依次经由这些组件,最终储能在电容组中,待按下按键后给水泵供能抽水。

        我们达到的指标为:

(1) 通过显示是否处在充电状态

(2) 通过按键触发的方式开始抽水

(3) 抽水容量为750ml

 

原理图设计说明

        我们的系统主要使用模块搭建,选用的模组参数分别如下:

        (1)𝑋𝐿6009升压电路模块:𝑋𝐿6009是一款常用的大电流𝐷𝐶 − 𝐷𝐶升压𝐼𝐶,其工作电压为5~32𝑉,输出电压最高为35𝑉,内置功率𝑀𝑂𝑆𝐹𝐸𝑇的开关电流可达4𝐴,开关频率为400𝐾𝐻𝑧,其𝐷𝐶 − 𝐷𝐶转换效率可以高达94%. 其原理图如下图所示:

        (2) 𝑋𝐾𝑇 − 412无线充电发射端、𝑇3168接收端模块:发射端工作电压5𝑉~12𝑉,接收端输出5𝑉电压。利用电磁感应和𝐿𝐶振荡传输能量。发射端原理图如下图所示:

        接收端如下图:

        (3) 超级法拉电容组:使用三个5𝐹, 5.5𝑉电容组成可变电容组,使用两个六脚开关切换电容的串、并联关系,用立创𝐸𝐷𝐴设计电路图如下图所示,在串联时,其等效为1.67𝐹, 16.5𝑉电容;在并联时,其等效为15𝐹, 5.5𝑉电容。

 

        (4) 水泵:使用高效率水泵,其可工作电压为2.2𝑉~12𝑉,工作电流为30𝑚𝐴~80𝑚𝐴,最大流量1.1𝐿/分钟。

 

        我们选用的无线充电发射端输入电压为5𝑉~12𝑉,因此需要升压电路来提高供电电压,以达到较高的效率。同时,为了不超过5𝑉 · 1𝐴 = 5𝑊的输入功率,最终选择升高电压到6.5𝑉左右。
        超级法拉电容是并联三个5𝐹, 5.5𝑉的电容形成15𝐹, 5.5𝑉电容组,同时,我们自行设计了串并联转换电路,可以将三个电容在并联和串联之间相互转换。由此,可以通过串联三个电容来提高供电电压,以提高水泵对能量的利用效率,减小水泵在低电压下不工作导致的能量损失。
        水泵的输入电压为3.7𝑉~12𝑉,因此可以采用升压电路将电容组电压升高到12𝑉供电,以达到最快的抽水速率。经过测试,使用升压电路后,水泵的初始抽水速率可以达到较高水平。但由于升压电路有一定的损耗,并且在输入电压小于 4V 时,升压电路无法工作,导致浪费的电容储存能量更多。测试结果是,不使用升压电路的电路可以取得更好的成绩。
   

        此外,由于测试中往往需要将电容电量放尽,为了在测试中电容能够快速放电而且不被损坏,我们还设计了简单的放电电路,能够直接将电能转换为热能散发出去。其组成部分为开关、等效大功率电阻、散热片。

        整个系统的电路图如下:

 

 

 

        因为主要使用购买的模块搭建,未设计PCB。项目完成的过程中焊接了一些散热板、连接板,需注意防水处理。

 

 

 

结果说明

        测试方案:根据题目要求,完整地经过计时充电、抽水放电的过程,同时根据电路各状态的物理量和抽水的体积计算各过程的能量和功率。
        使用的测试设备有:直流稳压电源、电压表、两个量筒。
        使用直流稳压电源作为系统的输入,为了保证系统在短时过流(超过1𝐴输入电流)时,不被电源降低输入电压导致系统不稳定,设置电源输出为5𝑉 2𝐴作为系统输入,在充电的过程中,手动控制无限线圈的距离在6𝑚𝑚以外轻微移动,以保证系统的输入电流在题目限定的1𝐴以内,并尽可能靠近1𝐴的最大电流,以达到最大充电功率。
        将升压电路调整为输入5𝑉,输出6.5𝑉,测试发现该参数可以使无线线圈地功率较好地吻合输入5𝑉 1𝐴的功率,使输入电流不超过1𝐴. 将电容组切换至并联状态,此时电容组等效为15𝐹, 5.5𝑉电容。由于无线充电输出端最高电压仅为5𝑉,因此电容不会有被击穿的风险。
        充电计时1分钟,并准时关闭输入电源,此时电源向系统输入的总能量约为5𝑊 · 60𝑆 = 300𝐽.

        使用电压表检测电容组电压,电容充电后的电压约为3𝑉, 其能量约为1/2𝐶𝑈^2 = 0.5 ∗ 15 ∗ 3 ∗ 3 = 67.5𝐽,计算得到升压电路和无线线圈给电容组充电的效率𝜂 =67.5/300 = 22.5%.
        然后打开抽水机的开关,保证出水口距入水口高1𝑚,开始抽水直到抽水机停止工作。经过测试,系统的抽水量在最佳情况下约为750𝑚𝐿,并且可以稳定在500𝑚𝐿以上。在抽水的过程中,电机做功为𝑚𝑔ℎ = 0.75 ∗ 9.8 ∗ 1 = 7.35𝐽,由此得到水泵的效率为𝜂 =7.48/67.5 = 10.8%.
        经过计算,在最好情况下,系统总效率为𝜂 =7.35/300= 2.45%, 这个效率有待提升,并且取得的最好成绩距离基本要求的抽水量1𝐿也仍存在一定的差距。
        根据题目的要求,我们设计的抽水系统可以通过𝐿𝐸𝐷灯显示是否处在充电状态,使用按键触发的方式开始抽水。抽水容量最大为750𝑚𝐿.

 

实物展示说明

 

        我们设计的系统外观图如下图所示:

 

 

注意事项

        (1) 为了节省能量,本设计不使用控制器、处理器,使用实验室万用表等设备检测电路状态。
        (2) 每次测试前,均使用放电电路对抽水泵的储能元件进行完全放电,使用万用表电压档检测其电压约等于零,确保测试时充电回路无预先额外储能。测试时,外接一个电压表监控超级电容的电压变化,用于保证实验安全和计算相关量。
        (3) 部分电路使用热熔胶加固,起到防水、稳定状态的作用。
        操作过程:
        (1) 摆放好组件,放置好盛水的量杯。
        (2) 使用放电电路给超级法拉电容组放电。
        (3) 摆放好线圈,连接好电路,开始充电。
        (4) 一分钟后,关闭电源,按动按钮使电容从并联状态转换为串联状态。
        (5) 打开抽水机,开始抽水。
        (6) 待抽水停止后,测量抽得水的体积

 

演示视频

 

设计图
原理图
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PCB
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