一種新型汽車無(wú)線充電裝置設(shè)計(jì)

陳威 程卓 陳鑫

摘 要：本文介紹了一種新型的汽車遠(yuǎn)距離無(wú)線充電裝置，以及該裝置的基本結(jié)構(gòu)，工作原理和工作特點(diǎn)。具體闡述了該裝置的未來(lái)前景，以及它在未來(lái)工作生活中的重要作用。該裝置運(yùn)用了電磁感應(yīng)原理，具備安全環(huán)保的理念，如能大力推廣，必將使新能源車代替燃油汽車引領(lǐng)主導(dǎo)地位，而燃油車輛的減少會(huì)成為解決大氣污染重要的一環(huán)。其次目前大部分的充電汽車都是有線型，若是忘記攜帶充電設(shè)備，將會(huì)給我們的出行帶來(lái)巨大的麻煩，因此該裝置不僅安全環(huán)保還能給我們的工作生活帶來(lái)極大的便捷。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電;電磁感應(yīng);環(huán)保

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技領(lǐng)域的雙向騰飛發(fā)展，無(wú)線充電在消費(fèi)電子領(lǐng)域市場(chǎng)巨大，除運(yùn)用于智能手機(jī)智能手表等可穿戴設(shè)備、平板電腦等諸多消費(fèi)電子終端產(chǎn)品之外，無(wú)線充電技術(shù)還將用于新能源汽車方面，但是現(xiàn)階段新能源車相較燃油車單次行駛里程過(guò)短、頻繁充電和充電樁難找，無(wú)線充電技術(shù)裝置可以解決充電頻繁問(wèn)題，在這一場(chǎng)新革命中占據(jù)著重要地位。因此，無(wú)線充電技術(shù)裝置將來(lái)有著很大的市場(chǎng)前景。

2.主體設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原理

所謂無(wú)線充能就是能夠?qū)⑺N形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，以空間作為傳遞能量的介質(zhì)，發(fā)射無(wú)線電能的方式，因此我們就需要設(shè)置發(fā)射裝置，接收裝置以及一個(gè)超大的電容。需要給電容一些充電時(shí)間，因此發(fā)射端可以根據(jù)STC12CA60S2單片機(jī)的原理設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)部定時(shí)開(kāi)關(guān)，接通電源后單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器開(kāi)始準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，為了能足夠充電，可設(shè)置倒計(jì)時(shí)為一分鐘，在一分鐘倒計(jì)時(shí)結(jié)束之后，發(fā)射端的線圈斷開(kāi)連接，停止提供電流。而接受裝置需要將接收到的交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓，進(jìn)而對(duì)超大電容進(jìn)行充電。這樣才能夠使電機(jī)達(dá)到自啟動(dòng)的效果。自啟動(dòng)的電路模板可以參考TPC8111，制作自啟動(dòng)電路的核心芯片。如圖1所示。

2.2電路設(shè)計(jì)

諧振網(wǎng)絡(luò)包括電感，電容和分流電容，與外部電路無(wú)能量交換。首先無(wú)線電能傳輸接收端的充電需要直流電，從電網(wǎng)發(fā)射出去的電流經(jīng)過(guò)電力電子變換器，同時(shí)接收線圈上有整流濾波電路，能夠感應(yīng)到能量，從而將感應(yīng)的能量直接進(jìn)行過(guò)濾轉(zhuǎn)換，使接收線圈感應(yīng)的交流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡钦骱蟮碾妷嚎赡軙?huì)超過(guò)電容所承受的最大耐壓值，因此我們需要使用LM2596降壓模塊把電壓值下降到電容能夠承受的范圍內(nèi)。如圖2所示。

2.3能源電池

（1）能源電池的選擇

從性能考慮，由于鋰電池能量比較大，儲(chǔ)存能量的密度就比較大，額定功率高，高低溫適應(yīng)能力強(qiáng)，經(jīng)過(guò)工藝上處理，可以在-45°到60°的環(huán)境下使用。同時(shí)具備到功率的承受力，其中電動(dòng)汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達(dá)到15-30C充放電的能力，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速，尤其是它的自放電率極低，這是該電池由于其他電池重要原因之一。

從生態(tài)及便捷方面考慮考慮，其使用壽命長(zhǎng)，一般可達(dá)到六年以上，從而減少替換的次數(shù)。其體重輕，優(yōu)于多數(shù)電池的幾倍，也符合我們?cè)O(shè)計(jì)的初心。而且生產(chǎn)該電池幾乎不消耗水資源，為缺水的地區(qū)節(jié)約能源，然后綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)，使用和報(bào)廢 ，都不含有，也不產(chǎn)生任何有毒有害的重金屬元素及物質(zhì)。

但是鋰電池也有不好的地方，它對(duì)充電模式的要求比較高，如果操作方式不當(dāng)，其充電速度，充電效率可能都會(huì)減慢，還會(huì)導(dǎo)致溫度省道壽命縮短，甚至有爆炸的危險(xiǎn)。因此我們需要ZigBee無(wú)線通信技術(shù)給我們一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，能夠隨時(shí)獲取鋰電池的信息狀態(tài)。

（2）鋰電池的工作原理

智能充電法

智能充電是目前較先進(jìn)的充電方法，如下圖所示，其主要原理是應(yīng)用du/dt和di/dt控制技術(shù)，通過(guò)檢查電池電壓和電流的增量來(lái)判斷電池充電狀態(tài)，動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，使充電電流自始自終在電池可接受的最大充電曲線附近。這類智能方法，一般結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等先進(jìn)算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化。

脈沖充電

主要包括三個(gè)階段：預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。在恒流充電過(guò)程中以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，部分能量被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到上限電壓（4.2V）時(shí)，進(jìn)入脈沖充電模式：用1C的脈沖電流間歇地對(duì)電池充電。在恒定的充電時(shí)間Tc內(nèi)電池電壓會(huì)不斷升高，充電停止時(shí)電壓會(huì)慢慢下降。當(dāng)電池電壓下降到上限電壓（4.2V）后，以同樣的電流值對(duì)電池充電，開(kāi)始下一個(gè)充電周期，如此循環(huán)充電直到電池充滿。在脈沖充電過(guò)程中，電池電壓下降速度會(huì)漸漸減慢，停充時(shí)間T0會(huì)變長(zhǎng)，當(dāng)恒流充電占空比低至5%～10%時(shí)，認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，終止充電。與常規(guī)充電方法相比，脈沖充電能以較大的電流充電，在停充期電池的濃差極化和歐姆極化會(huì)被消除，使下一輪的充電更加順利地進(jìn)行，充電速度快、溫度的變化小、對(duì)電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。但其缺點(diǎn)很明顯：需要一個(gè)有限流功能的電源，這增加了脈沖充電方式的成本。

3.生產(chǎn)要求和測(cè)試

（1）考慮到充電汽車的性能問(wèn)題，相同的汽車可能由電帶動(dòng)汽車運(yùn)行不及燃油帶動(dòng)汽車運(yùn)行，因此充電汽車的材料應(yīng)該選取相對(duì)輕盈，韌性高，并且還具備一定的堅(jiān)固性。并且電池必須是大容量加上備用電源，要保證能夠有足夠的續(xù)航能力，足以達(dá)到更加便捷的目的。

（2）充電裝置應(yīng)該設(shè)置在道路的一側(cè)，其利用電磁耦合的原理，例如變壓器利用電磁耦合的原理傳遞能量，而且需要利用高磁導(dǎo)率的磁芯作為介質(zhì)，減少磁力線發(fā)散到空氣中導(dǎo)致傳遞效率下降。不太適合遠(yuǎn)距離的供電，因此需要參照公交站或者是加油站設(shè)置定點(diǎn)充電，制作充電站的方案。

（3）電路板的焊接問(wèn)題，一定要焊接點(diǎn)密集，各個(gè)焊接點(diǎn)之間不能相連，每個(gè)元件的正負(fù)極可用萬(wàn)用表進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)束之后，觀察是否有毛刺需要處理，檢查是否存在虛焊，仔細(xì)對(duì)照電路板和原理圖的電路連接是否一致。

（4）發(fā)射線圈和接收線圈大小，形狀進(jìn)行測(cè)試，過(guò)大會(huì)增大小車質(zhì)量，國(guó)小傳導(dǎo)效率不高。兩者之間的距離測(cè)試，太近了會(huì)導(dǎo)致充電不便，太遠(yuǎn)了也會(huì)導(dǎo)致效率不高，損耗過(guò)量。

（5）對(duì)各個(gè)接口的檢查，同上面檢查電路板一樣均可使用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)試是否有斷路的情況，尤其要檢查電源線與底線是否短路，這些的及時(shí)處理，以免出現(xiàn)安全隱患。

（6）檢查電源電壓與該裝置的電壓大小是否吻合，正負(fù)極的連接是否正確。確認(rèn)正確后連接電源檢查各器件引腳電源端是否為符合的電壓值，接地端電壓值是否為零，尤其是檢查無(wú)線電能接收端能否接收到發(fā)射端傳遞來(lái)的電能信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，自啟動(dòng)裝置能否正常運(yùn)行。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)線充電汽車具有節(jié)能，便捷等特點(diǎn)，適用于所有需要開(kāi)車的用戶。如果這種汽車能夠普及目前的汽車市場(chǎng)對(duì)人們的環(huán)保意識(shí)也是可以肯定的，不僅給與用戶一個(gè)極佳的體驗(yàn)，而且對(duì)我們生存環(huán)境的質(zhì)量大大提升，可能其不足的地方就是在于，其成本及制造復(fù)雜度可能會(huì)更大，但是我相信這么快的科技發(fā)展速到能夠很快解決這一問(wèn)題，所以其有著一定的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

1.陳威，2000.0915武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)，武漢新洲人，對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)，智能機(jī)器編程以及自動(dòng)化方面有興趣。

2.程卓，1999.09-武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生，湖北黃岡人，主要興趣和研究方向有機(jī)器人控制、機(jī)器人編程。

通訊作者：陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士，武漢商學(xué)院教師，工程師;主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)仿真，視覺(jué)識(shí)別。

支持項(xiàng)目：武漢商學(xué)院2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：http：//x-cnki-net.webvpn.wbu.edu.cn：8118/search/common/testlunbo？dbcode=CJFQ&tablename=CJFDAUTO&filename=sjke202007014&filesourcetype=1202011654067，電動(dòng)汽車無(wú)線充電可行性研究

（武漢商學(xué)院 ?湖北 ?武漢 ? 430056）