基于無線充電技術(shù)的電動(dòng)自行車智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

肖柄輝

【摘要】電動(dòng)自行車充電一直都是—件讓人頭疼的事，不規(guī)范的充電方式很容易造成安全隱患。隨著國家的重視，社區(qū)里出現(xiàn)了傳統(tǒng)電動(dòng)車充電樁，部分緩解了電動(dòng)車充電中存在的問題，但是傳統(tǒng)的有樁充電模式占地面積大，土地利用效率低，可能會(huì)浪費(fèi)許多不必要的土地資源。基于此，本文提出了一種基于當(dāng)下流行的無線充電技術(shù)的智能充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有土地利用效率高、占地面積小、易于管理等優(yōu)勢，同時(shí)能更好地解決電動(dòng)車充電難，充電不安全等問題。

【關(guān)鍵詞】無線充電;電動(dòng)自行車;無樁充電;智能充電系統(tǒng)

引言

電動(dòng)自行車作為當(dāng)代綠色朝陽的交通方式，具有便攜、靈活、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，在私家車越來越多的城市里，電動(dòng)車憑借其輕巧的體型，穿梭于城市的大街小巷，為人們帶來了不少便利，而隨著電動(dòng)車數(shù)量的不斷增多，很多問題也暴露了出來。近些年因?yàn)殡妱?dòng)車充電而導(dǎo)致的火災(zāi)逐漸增多，電動(dòng)車充電成為城市發(fā)展中的一大問題，不規(guī)范的充電方式存在著巨大的安全隱患，于是為了減少該類情況的發(fā)生，不少社區(qū)為電動(dòng)車主安裝了電動(dòng)車充電樁，一定程度上緩解了火災(zāi)等情況的發(fā)生。隨著傳統(tǒng)充電樁的不斷普及，發(fā)生在傳統(tǒng)充電樁上的問題便暴露無遺，一個(gè)傳統(tǒng)充電樁一般只能提供一到兩個(gè)充電口，但卻要占據(jù)不小的一片地，于是在社區(qū)內(nèi)常常需要大量的充電樁才能夠基本滿足用戶的需求，但是很多社區(qū)并不具備這樣的條件，常常因?yàn)闆]有更好的方式來滿足用戶需求而引起不少用戶的怨言。那么，對于傳統(tǒng)充電樁的這些問題我們該如何解決呢？本文在此就提出了一個(gè)土地利用效率更高，充電更加安全的新型充電方式來解決傳統(tǒng)方式所出現(xiàn)的問題。

本文介紹了電動(dòng)車智能充電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土地的高效利用，以及更加安全便捷的充電管理，從而更好地緩解充電難、占地面積大、充電不安全等問題，本系統(tǒng)以無線充電為核心，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車充電的高效化與智能化。

一、無線充電技術(shù)

當(dāng)下流行的無線充電方式主要有兩大類型，一是小功率無線充電，二是大功率無線充電，這兩大類型之下有三種主流充電方式，一是小功率的電磁感應(yīng)式，大多用于手機(jī)的無線充電，但在一些情況下也可以用于汽車的無線充電;二是磁場共振式（諧振式），這是一種大功率充電方式，常被用于汽車的無線充電上;還有一種是早期發(fā)展較為成熟的無線電波式，這種方式類似于早期的礦山收音機(jī)，這種方式簡單且發(fā)展較為成熟，不過具有易損耗等缺點(diǎn)。

主流的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下五種：Qi標(biāo)準(zhǔn)、PowerMattersAlliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)、AllianceforWkelesspower（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)、iNPOFi技術(shù)、Wi-Po技術(shù)。其中Qi標(biāo)準(zhǔn)是全球最早推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，主要方向是市場上大部分支持無線充電的移動(dòng)設(shè)備。Power Matters Alliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司推出，相比而言擁有比較好的綜合實(shí)力，曾推出過WiCC充電卡，這是一種將無線充電普及到傳統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備上的嘗試，只需要將充電卡放在電池旁充電設(shè)備即可進(jìn)行無線充電，使得很多傳統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備輕松支持無線充電這種新型方式。A4WP標(biāo)準(zhǔn)是由美國高通、韓國三星以及Duracell Powermat公司聯(lián)合推出的，主要用于無線充電在移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車上的使用。而iNPOFi技術(shù)與Wi-Po技術(shù)這兩種技術(shù)則是本設(shè)計(jì)主要使用的兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這兩種技術(shù)是當(dāng)下推出的，有著新型技術(shù)低輻射、高轉(zhuǎn)化率等共同優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)方式難以超過的，iNPOFi技術(shù)的核心設(shè)計(jì)十分小巧，在無線充電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了超微化的目的，而且充電效率也是達(dá)到了驚人94.7%，同時(shí)充電設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)低壓供電，并同時(shí)兼容USB充電和低溫充電兩種充電方式，有效保障設(shè)備的壽命和使用安全。而Wi-Po技術(shù)雖然不如iNPOFi技術(shù)小巧，但卻擁有更遠(yuǎn)的發(fā)射距離和更加智能化的管理方案，使用Wi-Po技術(shù)的設(shè)備可以通過藍(lán)牙4.0對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊控制，同時(shí)具有高溫高壓的設(shè)備保護(hù)機(jī)制，可以安全地用于智能家居、移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車等各種情景上。

無線充電技術(shù)與傳統(tǒng)的有線充電方式相比而言具有許多優(yōu)勢：第一，安全上的優(yōu)勢。無線充電不存在因線路老化而出現(xiàn)的火災(zāi)等隱患，同時(shí)低輻射值和高傳遞效率也保障了無線充電的安全便捷，即使在惡劣天氣環(huán)境下，無線充電系統(tǒng)也會(huì)更加安全可靠。第二，土地利用效率高。相比于傳統(tǒng)充電樁，在相同大小的土地之上，無線充電可以為更多的電動(dòng)車提供充電，并且方式簡單易學(xué)，只需將電動(dòng)車停放在相應(yīng)區(qū)域，打開相應(yīng)設(shè)備即可進(jìn)行充電。第三，占地面積小。只需要在地面設(shè)置一臺(tái)充電設(shè)備，即可得到一片不小的充電范圍。第四，線路隱形。無線充電做到了將充電設(shè)備隱形的目的，有效防止觸電等安全隱患的發(fā)生。

二、無線充電原理簡述

當(dāng)下主流的無線充電方式一共有三種：磁場共振式、電磁感應(yīng)式和無線電波式。在這里我們暫且不說無線電波式，因?yàn)闊o線電波式類似于早期的礦山收音機(jī)，主要裝置有微波發(fā)射裝置和接收裝置，接收裝置通過捕捉無線電波能量從而達(dá)到無線充電的效果，但因?yàn)槠渲贿m合用于低電壓產(chǎn)品，故不使用無線電波式這種充電方式。

電磁感應(yīng)式是一種比較傳統(tǒng)的充電方式，這種方式利用了“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”原理，這種方式在充電時(shí)都會(huì)配有一個(gè)充電座，充電座的主要裝置是在其內(nèi)部的線圈，通入交流電時(shí)會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場，同時(shí)在充電設(shè)備上也存在一個(gè)線圈，通過電磁感應(yīng)原理從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，一般傳輸效率會(huì)有40%～60%，但其傳輸距離只有5公分左右，這是傳統(tǒng)方式所具有的弊端，但并不影響其進(jìn)行正常商業(yè)化。

磁場共振式也稱之為諧振式，是通過將兩個(gè)具有同樣振動(dòng)頻率的諧振電路放在一起，當(dāng)一方通入電流而開始振動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)另一方振動(dòng)，從而使電流進(jìn)行傳播。這樣的方式同時(shí)也提升了無線充電的傳輸效率和傳輸距離，但是這種方式也存在一定的困難，在振動(dòng)頻率上并不是特別容易達(dá)到一致。

三、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，即供電裝置、無線充電裝置、電動(dòng)車電源接收裝置、主機(jī)端用戶端監(jiān)測裝置。供電裝置即將從電網(wǎng)中傳輸來的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成可供設(shè)備使用的能量，并通過傳輸裝置傳輸?shù)降叵聼o線充電裝置內(nèi)，其內(nèi)部設(shè)置過壓過流過載保護(hù)裝置，保護(hù)設(shè)備在極端情況下的使用安全;無線充電裝置是本系統(tǒng)的核心裝置，是基于磁場共振式的一套裝置，核心部件排布于地下，向電動(dòng)車持續(xù)提供電源，并在設(shè)置監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況，對出現(xiàn)異常的組件及時(shí)向主機(jī)端發(fā)出提示，同時(shí)對充電完成的設(shè)備自行切斷電源，有效緩解電動(dòng)車因過載而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)24小時(shí)工作，同時(shí)向用戶端和主機(jī)端發(fā)送實(shí)時(shí)信息，以便查看充電過程;電動(dòng)車電源接收裝置，即接受充電裝置傳輸能量的設(shè)備，該設(shè)備與電池直接連接。

主機(jī)端以及用戶端是接受智能充電系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息的一個(gè)原件，主機(jī)一般安放在設(shè)備運(yùn)營商區(qū)域控制室中，用于24小時(shí)檢測轄區(qū)內(nèi)設(shè)備端狀態(tài)并處理由設(shè)備發(fā)來的異常信息，通過主機(jī)收集各個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將異常信息呈獻(xiàn)給工作人員，由工作人員對信息進(jìn)行處理，再進(jìn)一步選擇預(yù)備方案進(jìn)行處理，同時(shí)主機(jī)端可以通過遠(yuǎn)程通信對設(shè)備進(jìn)行重啟關(guān)機(jī)以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入輸出電流進(jìn)行控制等操作，可以確保在異常情況下對系統(tǒng)的緊急處理。用戶端安裝在用戶的移動(dòng)設(shè)備中，用戶可以通過用戶端軟件進(jìn)行充電信息查詢、遠(yuǎn)程結(jié)束充電、充電繳費(fèi)等功能。

四、對于傳統(tǒng)電動(dòng)車的解決方案

本系統(tǒng)所使用的無線充電方式，市面上的電動(dòng)車基本沒有本系統(tǒng)所需要搭載的無線充電接收裝置，由此，將對傳統(tǒng)電動(dòng)車設(shè)計(jì)一種便攜式充電器，以解決傳統(tǒng)電動(dòng)車的充電問題。

第一種方案是一種類似于上文所說的充電卡模式，將對用戶發(fā)售一種充電卡，以便解決傳統(tǒng)電動(dòng)車的充電問題，優(yōu)點(diǎn)是方便、小巧。

第二種方案是在電動(dòng)車外部加裝，與電動(dòng)車的充電接口相連接，通過充電器對電動(dòng)車進(jìn)行充電，優(yōu)點(diǎn)是成本低，可利用當(dāng)下成熟技術(shù)進(jìn)行制造。