基于超級電容的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)*

郭泓序，李 玲

(鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

目前，國內(nèi)外電子設備的常規(guī)充電方式通常是通過交流電源和電子設備的二次電池充電來實現(xiàn)的。使用這種頻繁的連接和斷開模式可能會損壞線路并導致觸電。而另一方面，非接觸式感應充電器由于運輸方便、成本低、無需布線等優(yōu)點，在現(xiàn)階段很快引起了各界的關注[1]。無線充電也稱為感應充電和非接觸式感應充電。電器組合是一種通過供電設備(充電器)將能量傳遞給需要電能的裝置。利用設備在啟動時用接收到的能量給電池充電。充電器與電氣設備之間的電感連接是這樣的，在能量傳遞過程中，兩臺機器之間沒有電氣連接，因此不用過多地擔心會存在充電器和電氣設備導線或接點外露的問題。

雖然目前充電方式以非車載充電為主，但車載充電作為另一種充電模式，是充電技術(shù)的重要發(fā)展方向，其效率、損耗、利用率以及社會總投入成本都成為當前研究的熱點[2]。

目前，電動汽車以其優(yōu)越的環(huán)保和節(jié)能特性，成為未來新能源汽車的發(fā)展方向[3]。從現(xiàn)在看來,無線充電這項技術(shù)想要運用在電動汽車和插電式混合動力汽車上的主要制約因素在于該技術(shù)相對較低的效率以及對頻率和參數(shù)變化十分敏感。因此,全面的特性分析是設計一個高效強健的無線充電系統(tǒng)所要解決的關鍵問題[4]。

超級電容近年來發(fā)展迅速，是一種新型的大容量的能量儲存元件，同時也是很好的儲能器件，很適合用作電動小車的儲能元件，可實現(xiàn)供其儲能優(yōu)良達到運行時間長、距離遠的效果。使用超級電容取代化學式蓄電池是目前科學家研究的一個熱門課題，因為其具有壽命長、對環(huán)境污染小的優(yōu)點。也就是說，它可以利用在電場中儲存的能量而不是在化學反應物中所存儲的能量，這種方式可以延長充電和放電的周期[5]。由此，隨著相關技術(shù)的發(fā)展，以及相關科研成果的不斷產(chǎn)生和突破，今后把超級電容用于無線充電來取代化學式蓄電池，也必將成為現(xiàn)實。本系統(tǒng)正是運用了超級電容的充電速度快、儲能容量大的特點，設計實現(xiàn)了以其作為基本儲能裝置的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)主要是由無線充電發(fā)射接收模塊、儲能模塊、TI控制模塊組成的。采用無線充電發(fā)射接收是為了實現(xiàn)對小車的無線動態(tài)充電，發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生磁場，由電磁感應原理可知，裝載在小車底盤上的副線圈會因為裝載在跑道上的通電線圈(原線圈)產(chǎn)生的磁場而產(chǎn)生電場，會在副線圈中產(chǎn)生感應電動勢、感應電流，最終將產(chǎn)生的感應電動勢儲存在儲能裝置模塊中，以供斷電時為小車持續(xù)不斷地提供前進的電能。

無線電能傳輸方式：該設計利用電感耦合，是由震蕩電路產(chǎn)生交流信號，經(jīng)波形電路處理后，最后由功率放大器將波形放大，形成交流電，再通過交流電的推動使發(fā)射端線圈產(chǎn)生交流電磁場，從而將能量從發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端。通過升壓電路給小車內(nèi)部超級電容充電，當無線充電發(fā)射器停止充電時，使用繼電器自動控制開關，經(jīng)Boost變換給小車供電，從而實現(xiàn)無線充電電動小車前進。

圖1為本系統(tǒng)設計的總體框圖，無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理，通過線圈的能量耦合來傳遞能量。如圖1所示，系統(tǒng)工作時，輸入端將交流電通過全橋整流電路變換成直流電，或用24 V直流電源直接為系統(tǒng)提供電能。通過電源管理模塊后輸出的直流電將從一個2 MHz晶振通過逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給無線充電初級繞組。通過初級繞組和次級繞組2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為小車上裝載的超級電容充電。

無線充電裝置的接收線圈安裝在小車底盤上，僅采用超級電容作為小車儲能元件。發(fā)射模塊通電后，發(fā)射線圈通電，產(chǎn)生磁場，根據(jù)電磁感應原理，產(chǎn)生的磁場也會到達副線圈當中，副線圈就成為接收模塊，產(chǎn)生感應電動勢、感應電流，實現(xiàn)無線充電。充電產(chǎn)生的電能儲存在超級電容組當中，當外界斷電時，超級電容放電，將電能提供給小車電機，實現(xiàn)供電。單片機控制電路實現(xiàn)控制小車的自動啟動和自動到點停車兩個動作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 涉及無線充電電路的有關計算

(2)電感：一般情況，線圈繞制緊密、線圈匝數(shù)多，線圈的電感值就比較大；線圈內(nèi)部有鐵心的比無鐵心的電感值大。對于諧振耦合線圈來說，整個磁耦合諧振式無線電能系統(tǒng)確定著電感值的大小，諧振耦合線圈的電感的對應計算公式為：

(1)

經(jīng)過測量，r=4.5 cm，N=4，a=0.2 cm，計算可得：L=3×10-6H。

(3)電容：將繞制諧振耦合線圈的每匝導線當作均勻的圓柱體，兩匝線圈之間的匝間電容為：

(2)

通過計算電容值，確定選用的超級電容的大小以及需要的電容個數(shù)、連接方法等。

(4)通過磁感應諧振來實現(xiàn)無線電能傳輸拓撲。

為了達到提高磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率的目的，需要對一次側(cè)和二次側(cè)電路加入諧振補償。本設計選用S-P補償，即一次側(cè)串聯(lián)電容、二次側(cè)并聯(lián)電容進行補償。

3 硬件設計

3.1 相關芯片的選型

(1)主控制器件的選擇：某公司的MSP430F194系列單片機開發(fā)板芯片構(gòu)成了本次設計的主控板芯片，它采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有相當豐富的尋址方式，并且運算速度快，具有低功耗、處理能力強的優(yōu)點。

(2)升壓及充放電電路的選擇：XL6009開關型升降壓芯片構(gòu)成了本設計的升壓電路主控芯片，有超高開關頻率,它的輸入輸出電壓范圍相對較寬，內(nèi)置中有4 A的高效MOSFET開關管[6]。

(3)發(fā)射與接收模塊的選擇：本設計采用某公司的發(fā)射與接收模塊，無線發(fā)射接收模塊與單片機直接通過異步串行口連接，模塊內(nèi)部的單片機控制著其無線工作方式，同時保證無線發(fā)射和接收模塊必需配對使用，且工作頻率要完全一樣。

3.2 電路的設計

圖2為小車升壓電路原理圖，由于為本系統(tǒng)提供供電的電源為5 V、1 A的直流電流源，電流和電壓都較低，因此不能夠?qū)崿F(xiàn)直接為電動小車供電的相關要求，因此就需要升壓。本設計系統(tǒng)是使用XL6009升壓電路來實現(xiàn)的相關升壓變換，將電壓升高，最終給超級電容實現(xiàn)相關的充電。

圖2 升壓電路原理圖

圖3電路是實現(xiàn)小車充放電的電路原理圖，可以設計選用2.7 V、100 F的電容。對于驅(qū)動小車的電動機來說，由于單個電容的電容值較小，儲存的電能少，在放電時，放電速度快且電能少，不能滿足使小車正常運行且行駛距離遠的設計要求，所以需要串聯(lián)電容，增大總電容值。因此，在經(jīng)過多次測試之后，選用將三個電容串聯(lián)的模式，共需兩組，共6個電容，兩組電容充電時并聯(lián)，放電給小車供電時為串聯(lián)。充電時，繼電器K1在5位置，K2在4位置，實現(xiàn)并聯(lián)；放電時，繼電器K1在4位置，K2在5位置。

圖3 充放電電路原理圖

圖4電路是本文設計的循跡系統(tǒng)的電路圖，本系統(tǒng)采用光敏電阻，由于LED燈照射在黑白跑道上時，光敏電阻的感光系統(tǒng)發(fā)揮作用，控制兩個繼電器的不斷開合，從而使兩個電機轉(zhuǎn)速不同，或一個轉(zhuǎn)速快，一個轉(zhuǎn)速慢，以此來實現(xiàn)小車不同方向的偏轉(zhuǎn)，最終達到循跡的目的。

本系統(tǒng)電源采用參數(shù)為5 V、1 A的充電器為設計的充電系統(tǒng)提供電能。本系統(tǒng)設計的跑道為標準圓形軌道。在平板上布置直徑為70 cm的黑色圓形行駛引導線(線寬≤2 cm)，均勻分布在圓形引導線上的A、B、C、D點(直徑為4 cm的黑色圓點)上分別安裝無線充電裝置的發(fā)射線圈。無線充電系統(tǒng)由1臺5 V的直流穩(wěn)壓電源供電，輸出電流不大于1 A。圖5所示即是本次設計的跑道圖。

4 測試結(jié)果分析

4.1 測試方案

關于本文設計的硬件測試方案，首先是對于超級電容選值：本設計選用2.7 V、100 F的電容，然后將6個電容每3個串聯(lián)在一起，分為兩組，兩組電容充電時并聯(lián)，放電給小車供電時為串聯(lián)。通過多次的更換測試，選出存儲電能效率最高的電容值。其次便是對軟件仿真測試：本設計系統(tǒng)運用MSP430芯片，通過燒錄程序?qū)崿F(xiàn)對小車斷電后自動啟動以及在B點自動停車的功能。系統(tǒng)采用LC自激蕩高頻逆變電路通過Multisim14軟件對電路進行仿真調(diào)節(jié)數(shù)值得出最好的輸出波形。最后涉及的是硬件軟件的聯(lián)調(diào)：可以通過ATmega16單片機燒寫定時1 min 程序，1 min延時后，通過控制繼電器和舵機動作，使得發(fā)射線圈停止向接收線圈傳能，充電結(jié)束，小車就會立即啟動。

圖4 循跡系統(tǒng)電路原理圖

圖5 跑道原理圖

4.2 測試條件與儀器

對于系統(tǒng)設計的測試，要進行多次重復檢查，確保繪制的的仿真電路和實際的硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且確保檢查無誤，每一個硬件電路要做到無虛焊。對于本設計相關的一些測試儀器，主要是采用了高精度數(shù)字毫伏表、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、指針式萬用表等儀器，用精密的儀表和精確的測量來努力保證測試結(jié)果的完整性和準確性。

4.3 結(jié)果分析

(1)測試結(jié)果(數(shù)據(jù))

①發(fā)射端與接收端距離確定

表1為實驗過程中對發(fā)射與接收線圈之間距離的測定，可以看出，當發(fā)射與接收模塊之間距離越近時，充電電壓就越高，即獲得的電壓值就越大。(其中，當距離為0 mm時表示發(fā)射和接收線圈相接觸。)

②電容數(shù)量的測試

表2為對電容數(shù)量以及額定電壓、相同充電時間情況下對充電后的平均電壓的測定。由表2不難看出，電容數(shù)量越多，則相應的額定電壓值就越大，并且在相同的充電時間下，充電后的平均電壓相對穩(wěn)定。

表1 發(fā)射端與接收端距離與充電電壓的關系表

表2 電容相關數(shù)據(jù)的測試

(2)測試分析與結(jié)論

硬件選擇需要大量的調(diào)試與測試，找到最適合運動狀態(tài)的硬件。如果少量的實驗數(shù)據(jù)并不能實現(xiàn)小車運動的最優(yōu)距離，則通過測試得到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)最大的充電電壓比較小，因此只選擇了稍大于充電電壓的電容組合，選取最佳電容。而且發(fā)射端與接收端距離越近，小車的充電電壓越大，這就說明了接收的電能越多，損耗越少，但是不能過于靠近，如此會導致線圈與地面接觸。最終確定為5 mm的距離。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，本系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)符合各項標準可實現(xiàn)相應功能，也由此可以得出本設計的相關結(jié)論：首先，超級電容具有較高的充電效率，通過升壓模塊后，可驅(qū)動小車電機的運轉(zhuǎn)。其次，單片機程序可控制小車的自動啟動，而且還可以控制小車從A點開始行駛并在B點自動停車。最后，充電后小車可循跡行駛，在經(jīng)過通電的發(fā)射線圈時可以實現(xiàn)閃充，并且會沿著跑道一直循跡行駛下去直至電容放電完畢。

調(diào)試分析：硬件選擇需要大量的調(diào)試與測試，找到最適合運動狀態(tài)的硬件。少量的實驗數(shù)據(jù)并不能實現(xiàn)小車運動的最優(yōu)距離，通過測試得到的數(shù)據(jù)選取最佳電容大小約為6 F，而且發(fā)射端與接收端距離越近，小車上坡距離越遠。

測試結(jié)果：在確定最佳方案后進行多次測試，可以得出在A點充電1 min最多可前進5～10圈跑道周長。

5 結(jié)論

充電系統(tǒng)作為電動汽車的能源補給系統(tǒng)，其技術(shù)水平對電動汽車的發(fā)展起著舉足輕重的作用[7]。通過用超級電容作為主要的儲能裝置，使用5 V、1 A的充電器為充電系統(tǒng)提供電能，通過電磁感應原理實現(xiàn)電能的無線饋送，最后通過橋式電路整流和濾波電容濾波成直流電給小車內(nèi)部的超級電容充電，并將得到的電能儲存在超級電容中，以供斷電時自動供電，為小車提供行進的電能。通過對本系統(tǒng)的設計、測試與分析，系統(tǒng)基本可達到相關設計要求，運用軟件部分實現(xiàn)小車的斷電后自動啟動、運用硬件部分實現(xiàn)對電容的無線充電以及實現(xiàn)電動小車的自動循跡行駛功能。由此可見，超級電容的確具有快速充放電的功能，而且它儲存的電能能夠滿足小車運行及控制的相關需求，并且實用性強[8]。運行的過程中，通過無線充電發(fā)射和接收模塊時的不斷結(jié)合，進行不斷的無線充電與斷電自動放電，可以實現(xiàn)使小車持續(xù)不斷地運行下去的效果，電能和動能的高效循環(huán)利用效果顯著。