電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安徽理工大學(xué) 何榭宇

利用磁共振技術(shù)進(jìn)行無(wú)線電力傳輸(WPT)，這項(xiàng)技術(shù)可以讓人從惱人的電線中解脫出來(lái)。目前已經(jīng)進(jìn)行了不同的研究，并在持續(xù)提高無(wú)線功率傳輸?shù)男?。研究人員正試圖通過(guò)提高傳輸功率來(lái)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。該項(xiàng)目實(shí)施了WPT創(chuàng)新，為電動(dòng)汽車電池充電。在本研究中，對(duì)收發(fā)電路的距離電平進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)檢測(cè)了收發(fā)電路在不同距離下的不同功率電平。從此以后，從輸入電路到輸出電路的電流和電壓水平的不同，將電能輸送到電池，這完全不需要在電動(dòng)汽車充電站的發(fā)送電路到接收電路之間使用任何導(dǎo)線來(lái)計(jì)算其輸出效率。最后，討論了在電動(dòng)汽車中實(shí)施無(wú)線技術(shù)的成本和其他因素。這一實(shí)證結(jié)果有助于解決在有線技術(shù)中出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題，如電擊、成本、因電線而產(chǎn)生的麻煩、充電程序等。

1 介紹

在這個(gè)科技時(shí)代，WPT創(chuàng)新以其智能的使用和便捷而聞名。通過(guò)實(shí)施該方案，可以解決因接線技術(shù)而產(chǎn)生的各種故障，包括觸電、電線故障、充電方式和成本。無(wú)線電力傳輸(WPT)技術(shù)近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。隨著燃油水平的不斷下降，汽車的使用量也日益增加。雖然電動(dòng)汽車在我們的車輛系統(tǒng)中增加了額外的設(shè)施，但有線技術(shù)也令人反感，它會(huì)因?yàn)槟承┰驅(qū)е码姄粼斐扇松韨Γ⑶页杀靖?。WPT技術(shù)可以大大減輕這些因素的影響。因?yàn)闊o(wú)線技術(shù)比有線技術(shù)有優(yōu)勢(shì)，所以電動(dòng)汽車也會(huì)非常受歡迎。更具體地說(shuō)，WPT意味著電力可以在不使用任何電線的情況下從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌?，空氣可以作為傳遞這種力量的媒介。它包括兩個(gè)線圈，發(fā)送線圈和接收線圈，需要交流電給發(fā)射線圈供電，這樣它才能產(chǎn)生磁場(chǎng)，電壓由接收線圈中的磁場(chǎng)產(chǎn)生。該技術(shù)一般用于在大氣介質(zhì)上傳遞數(shù)字信息。通常電磁(EM)波被用來(lái)通過(guò)大氣傳輸電力，使設(shè)備供電。在本研究中，框架采用了電磁感應(yīng)式充電，這種充電方式可以幫助電動(dòng)汽車的電池在沒(méi)有電線的情況下充電，并利用這種電池能量來(lái)操作電動(dòng)汽車。最后介紹了一種新型的無(wú)線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)減少了對(duì)自然燃料的使用，易于充電，無(wú)需布線，降低了成本，并且可以方便的安裝。

2 方法

圖1所示為規(guī)劃方法示意圖。初步工作電壓為交流220V，通過(guò)降壓變換器降低電壓。然后整流元件將這個(gè)交流電變?yōu)橹绷麟姟?55定時(shí)器就像一個(gè)不穩(wěn)定的多諧振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率過(guò)高的方波脈沖。由此產(chǎn)生的過(guò)多頻率的交流電源被轉(zhuǎn)移到初級(jí)線圈上。二次線圈通過(guò)電磁感應(yīng)獲得這種能量。然后通過(guò)整流器將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成低功率直流。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)示意圖

3 系統(tǒng)的描述

本文提出的方法電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在電路中使用555定時(shí)器作為一個(gè)不穩(wěn)定的多諧振蕩器，這里它產(chǎn)生了一個(gè)高頻率的方波，測(cè)量的頻率接近55khz。然后通過(guò)初級(jí)線圈傳輸這個(gè)過(guò)度頻率的交流電壓。在二次線圈中通過(guò)電磁感應(yīng)無(wú)線接收電壓，然后將其整流成低直流電壓，通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器升壓到高直流電壓，足以給電池充電。

圖2 系統(tǒng)電路圖

4 結(jié)果與分析

4.1 輸入波形

圖3顯示了使用適配器后的純直流波形。測(cè)量輸入電壓為直流5V。一種由整流電路組成的轉(zhuǎn)換電路，整流電路用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這里這個(gè)交流適配器將交流220v的電壓級(jí)別修改為直流5V的電壓級(jí)別。圖3顯示了發(fā)射機(jī)電路的輸入電壓電平。

圖3 輸入直流波形

圖4 555定時(shí)器輸出波形

這里用555定時(shí)器加一個(gè)高頻輸入電壓。因?yàn)橹绷麟姏](méi)有頻率，所以不可能從發(fā)射端無(wú)線傳輸直流電到接收端。此外，為了無(wú)線傳輸功率，它還要求輸入電平有較高的頻率，這樣接收器就可以通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)接收功率。這就是使用555定時(shí)器的原因。圖4顯示了使用555定時(shí)器后的輸出波形。

圖5 發(fā)射線圈輸入波形

利用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IRF3205)放大5555定時(shí)器的輸出信號(hào)，比雙極結(jié)晶體管(BJT)具有更快的開關(guān)能力。此時(shí)，發(fā)射線圈輸出電壓為1.43V AC，頻率恒定。該MOSFET用于快速開關(guān)，以獲得適當(dāng)?shù)碾妷涸诎l(fā)射端，這是需要將功率從發(fā)射機(jī)線圈到接收線圈。圖5所示為使用IRF3205后的輸入放大波形。

4.2 輸出波形

在無(wú)線電力傳輸中，接收電壓的大小與二次線圈感應(yīng)的磁通大小一致。因此，功率隨時(shí)間而變化。圖6顯示了二次側(cè)的輸出波形。其中記錄的交流電壓值接近0.78V。

獲得的交流電壓較低，整流器主要是用來(lái)將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，因?yàn)殡姵爻潆娦枰绷麟娫?。隨后，升壓變換器將電壓從0.78V放大到4.8V左右，足以給3.7V電池供電，輸出波形如圖7所示。

圖6 二次側(cè)輸出波形

圖7 應(yīng)用升壓變換器后的輸出波形

4.3 輸入和輸出功率與線圈之間距離的關(guān)系

表1 線圈間距離與效率的關(guān)系

表1顯示了輸入和輸出功率在不同的線圈距離下的關(guān)系，二次線圈的輸出功率隨著線圈間距的增大而逐漸下降。

結(jié)論：本研究采用感應(yīng)耦合技術(shù)進(jìn)行無(wú)線充電。這里我們根據(jù)發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離來(lái)確定效率，在功率和距離之間有一種聯(lián)系。在這項(xiàng)研究中，我們能夠通過(guò)無(wú)線方式給5V DC電池充電。但是我們提出的系統(tǒng)也有一些限制，包括系統(tǒng)執(zhí)行緩慢，遠(yuǎn)程充電還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，它仍然可能比有線充電更慢，效率更低，而且它的效率也低于有線電力傳輸。另外發(fā)射和接收線圈之間的混亂可能是由天氣或其他因素干擾引起的。利用磁鍍線磁諧振耦合提高電池充電效率，利用快速充電技術(shù)縮短充電時(shí)間，這些都是今后可能進(jìn)行的大量研究工作。同時(shí)，減小了發(fā)射和接收線圈的尺寸，并分析了該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的合理性。