電動小車的無線充電系統(tǒng)的設計與制作

王道平 張蒙 何人杰

摘要：本文設計并實現(xiàn)了超級電容儲能的電動小車無線充電系統(tǒng)。利用電磁感應原理，通過無線充電系統(tǒng)對超級電容進行充電，借助于電動小車來進行實驗驗證。首先通過研究提出了自己的無線充電系統(tǒng)方案，利用Altium Designer軟件設計出各個模塊的電路圖，并畫出PCB板，將各個模塊進行焊接，然后進行實驗，從而驗證方案設計的正確性及可行性。

關鍵詞：電磁感應;無線充電;電動小車

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0148-02

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，電動汽車已成為人們出行的主要出行工具，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其充電問題也顯的日益嚴重，而無線充電技術(shù)的出現(xiàn)能夠有效地解決這一問題[1]。在1981年，由法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象，是無線充電技術(shù)源頭;后來尼古拉提出了無線電能傳輸?shù)脑O想，被人們譽為“無線電能傳輸之父”，雖然在當時并沒有實現(xiàn)，但是對后人有著一定的啟蒙作用[2]。進入21世紀以來，由于人們對無線充電技術(shù)研究以及對無線充電的需求，該技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展[3]。無線充電技術(shù)是世界各國都在加緊研究的核心技術(shù)，不僅在電動汽車方面而且在醫(yī)療衛(wèi)生、衛(wèi)星等領域都有廣泛的應用[4]。無線充電技術(shù)不僅方便、兼容、安全可靠，而且無直接電氣連接，受到廣大使用者的喜愛，具有較好的發(fā)展前景。

1 總體方案

本文所設計的無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由上圖1可知，無線充電系統(tǒng)共分為五個模塊，分別為充電控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、穩(wěn)壓模塊以及超級電容儲能模塊。充電控制模塊主要是控制電能的輸送;發(fā)射模塊和接收模塊主要是利用電磁感應式無線充電系統(tǒng)進行電能的傳輸;超級電容作為儲能模塊，為小車提供電能;穩(wěn)壓模塊主要對超級電容輸出的電壓進行穩(wěn)壓然后對馬達進行供電。

1.1 充電控制模塊

充電控制模塊的主要作用是當超級電容充滿電時，能夠自動切斷電源，對充電系統(tǒng)起到保護作用，從而提高設備的安全性。電路圖所示，主要由芯片TP4056控制電路的通斷，通過對電路中的電流進行檢測，當電路中的電流接近為零時，芯片控制電路斷開，然后綠色指示燈變亮，從而給使用者一個信號來說明該電池已經(jīng)充滿電。充電控制模塊電路圖2所示。

1.2 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊主要利用芯片XKT-412和硬件電路，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，輸入電壓的取值范圍為5～12V，電流為1A，然后電能通過發(fā)射線圈傳輸?shù)阶杂煽臻g。芯片XKT-335是高功率輸出集成電路，通過利用該芯片將電能最大化的進行傳輸，從而使電能的利用率提高。發(fā)射模塊電路圖3所示。

1.3 接收模塊

接收模塊主要利用集成芯片T3168和硬件電路將輸出電壓控制在5V，電流為500mA，二極管D2的主要功能是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，電容的功用是濾出諧波分量，以免諧波對電子器件造成損壞，從輸出端直接給超級電容進行充電。為了獲得更多的能量，必須將接收線圈與發(fā)射線圈完全重合，才可以提高電能傳輸效率。接收模塊電路圖4所示。

隨著超級電容的放電過程的進行，超級電容的實際輸出電壓正在不斷的減小，為了獲取持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓給馬達供電，故選擇DC-DC穩(wěn)壓模塊，從而使電動小車的馬達獲得持續(xù)不斷穩(wěn)定電壓，不僅電動小車的馬達得到了保護，而且能夠行駛的距離更遠。

1.4 儲能模塊

由于超級電容的電容量和能量密度較高，因此其存儲能量要比普通電容高很多。超級電容具有充電時間短、節(jié)約能源、使用壽命長等特點，故本文選擇使用超級電容作為儲能模塊，作為電動小車的供電電源。

本文使用六個耐壓值為2.7V的超級電容，將其中的每三個進行串聯(lián)，然后再進行并聯(lián)，這樣可以得到耐壓值為8.1V的電源，滿足實驗所需。

2 實驗結(jié)果

本設計制作完成的實物如圖5所示。通過對電動小車的無線充電系統(tǒng)測試，能夠達到設計指標。

在充電的過程中可以將電壓表的兩個針頭放在儲能模塊超級電容的兩端，這樣可以直觀的得到儲能模塊的充電情況;經(jīng)過一段時間后，會發(fā)現(xiàn)充電模塊中的綠色燈變亮，這時說明超級電容已經(jīng)完成了充電，充電控制模塊會自動斷電，從而對無線充電系統(tǒng)進行保護;此時會發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)基本上近乎5V，然后進行平地和爬坡實驗。

在實驗室選取一段適合的平地，將充電完成的電動小車放置平地上，然后按下開關，讓電動小車進行自由運動，觀察電動小車的行駛情況。忽略小車重量和材料等因素，當儲能模塊充滿電后，經(jīng)測量電動小車大致可以運行7米。

電動小車進行爬坡實驗主要是檢驗電動小車的馬達以及儲能模塊的供電能力，本次試驗選擇25度的坡度，當電動小車完成充電時，將其放在爬坡的最底端，最終電動小車爬行了大概有5米。

從兩次實驗結(jié)果來看，都能夠很好的符合預期的效果，從而驗證了無線充電系統(tǒng)的可行性。

3 結(jié)語

本文設計并實現(xiàn)了一款利用超級電容進行儲能的電動小車無線電磁感應式充電系統(tǒng)，實驗驗證表明，本系統(tǒng)系統(tǒng)安全可靠，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1] 劉浩.無線充電技術(shù)研究及其在電動汽車充電中的應用[D].華北電力大學（北京），2017.

[2] 張廣冬，郝昕玉，袁鐵軍，等.無線充電技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子科技，2016（12）：170-172+179.

[3] 楊慶新，張獻，李陽.無線電能傳輸及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[4] 孔祥記.電動汽車無線充電技術(shù)的研究進展[J].電子制作，2017（12）：13-15.