基于超級電容儲能的無線充電小車

楊風(fēng)霞 翟朋輝 周浩天

摘 要：本設(shè)計(jì)利用無線充電技術(shù)，將直流穩(wěn)壓電源的能量傳遞給超級電容，利用超級電容儲存的電能驅(qū)動小車，并通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了小車的爬坡性能。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了定時一分鐘無線充電，一分鐘后，小車檢測到充電完成后自啟動，完成前行或爬坡的功能。

關(guān)鍵詞：無線充電；超級電容；自啟動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.125

無線充電主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。很多學(xué)者一直致力于研究無線充電技術(shù)以及其在電動汽車中的應(yīng)用。重慶大學(xué)的孫躍團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了80米范圍內(nèi)以52%效率無線傳輸?shù)?0W電能[1]。王換民對駐車無線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出特性進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)分析[2]。溫超提出并設(shè)計(jì)了基于磁耦合共振原理的新能源汽車無線充電系統(tǒng)[3]。傳統(tǒng)的小車充電多采用拔插式的充電方式[4]，插頭磨損容易導(dǎo)致接觸不良，影響正常使用并產(chǎn)生安全隱患，而采用無線充電方式實(shí)現(xiàn)物理隔離，可以很好的改善這一問題。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 定時模塊

實(shí)現(xiàn)定時功能的方法主要有三種，軟件定時、數(shù)字電路硬件定時、可編程定時器[5]。

軟件定時常常是通過執(zhí)行一個程序段，利用每條指令執(zhí)行需要的時間來完成延時功能，這種定時方式常常不準(zhǔn)確。

數(shù)字電路硬件定時采用小規(guī)模集成電路器件，如用555定時芯片構(gòu)成定時電路，這種電路的定時時間要靠電路中的元件參數(shù)來確定，定時時間不容易改變。

可編程定時器既是硬件定時，又能很容易地通過軟件來確定和改變定時的時間，通過軟件編程就可以滿足不同的定時要求。

綜合三種定時方式比較，采用可編程定時器的方式比較好。因此，本設(shè)計(jì)的定時模塊采用AT89S51單片機(jī)為微控制器，AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有兩個16位的定時器，通過編寫程序，可以實(shí)現(xiàn)一分鐘定時，滿足要求。利用AT89S51單片機(jī)內(nèi)部的定時器，當(dāng)一分鐘定時時間到時，通過控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)每次充電時間限定一分鐘的功能。

1.2 無線傳能模塊

無線傳能部分采用的是基于XKT-510和T3168芯片的無線供電模塊，將5V，1A的直流電通過電磁耦合傳遞能量給兩個22F，2.7V的超級電容儲能。

XKT-412是一種無線充電發(fā)射芯片，芯片采用寬電壓自適應(yīng)控制功能。XKT-412芯片結(jié)合極少的外圍電路便可實(shí)現(xiàn)無線充電功能。

無線充電接收部分利用T3168芯片接收傳遞來能量信號，利用諧振回路來和發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)共振，從而輸出交流電。另外，接收電路對交流電進(jìn)行整流，接濾波電路，將電流轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷?，從而輸出直流，給超級電容儲能。

1.3 自啟動模塊

自啟動模塊主要采用3v的繼電器作為自啟動開關(guān)，繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的[6]。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會有電流，并產(chǎn)生電磁效應(yīng)，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電后，銜鐵就會返回原來的位置。通過這樣就達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

在自啟動模塊中，利用繼電器的常閉觸點(diǎn)作為啟動小車的開關(guān)。繼電器線圈串聯(lián)在無線充電接收器給超級電容充電的回路中。當(dāng)一分鐘定時時間未到時，超級電容充電，繼電器線圈導(dǎo)通，常閉觸點(diǎn)斷開，小車未啟動；當(dāng)一分鐘充電時間到時，繼電器線圈失電，常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通，超級電容給小車電機(jī)供電，小車自啟動。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了盡量減少小車的運(yùn)動阻力，采用塑料材質(zhì)搭建小車車身，盡量減少小車的質(zhì)量。另外，將小車底盤做的盡量低，以降低小車的重心，利于小車爬坡。

小車采用的是兩個N20減速電機(jī)，減速比1：100。N20減速電機(jī)具有較大的扭矩，在小車爬坡的時候，可以提供更大的動力。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于超級電容儲能，利用無線充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定時1分鐘充電，充電1分鐘后，當(dāng)電動小車檢測到無線充電發(fā)射器停止充電時，立即自行啟動，向前水平直線行駛，直至能量耗盡，經(jīng)測試行駛距離大于1m；充電1分鐘后，電動小車沿傾斜木工板路面直線爬坡行駛，經(jīng)測試，電動小車可以爬上傾斜角為49度的斜坡1m以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]王洋洋.磁耦合諧振式電動汽車無線充電的研究[D].西安理工大學(xué)，2018.

[2]王換民.電動汽車無線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出特性研究[D].西安理工大學(xué)，2017.

[3]溫超.新能源汽車磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)研究[D].青島大學(xué)，

2017.

[4]趙天舒.機(jī)器人無線充電電路設(shè)計(jì)[J].電子測試，2019（01）：66-67.

[5]徐春輝，陳忠斌，章海亮.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：175.

[6]潘海鵬，張益波.電氣控制系統(tǒng)與S7-200系列PLC[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：7-8.

作者簡介：楊風(fēng)霞（1996-），女，山東人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。