數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)研究與設計

李銳 王龍 劉杰 郭楊洋 李銀政 蘇龍飛

摘 要：數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)是一種利用磁諧振原理，通過高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡，將電能無線傳輸給超級電容器的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有充電速度快、功率密度高、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可以應用于微型設備、智能穿戴、機器人等領域。數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的立項的必要性在于，它可以解決傳統(tǒng)有線充電方式存在的接觸不良、易損壞、不方便等問題，提高充電效率和安全性，同時也可以推動無線充電技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

關鍵詞：超級電容；無線充電；磁諧振

一、研究目的及意義

數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)是一種利用無線充電模塊為超級電容組提供電能的系統(tǒng)。超級電容是一種新型的電化學元件，具有充電速度快、功率密度高、壽命長等優(yōu)點。無線充電是一種通過電磁感應原理實現(xiàn)能量傳輸?shù)募夹g(shù)。數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)可以實現(xiàn)對移動設備的動態(tài)充電，提高設備的使用效率和壽命。電子設備無線充電的意義在于，它可以提供一種更方便、安全、通用的充電方式，減少對有線充電器和電源線的依賴，同時也可以保護設備的充電接口，延長設備的使用壽命。

數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的立項的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

測試和評估數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的性能，包括充放電時間、能量傳輸效率、溫升情況、穩(wěn)定性等指標，并與有線充電方式進行對比分析。

數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的立項的目標主要有以下幾個：

實現(xiàn)數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的可行性和可靠性，滿足基本功能要求。實現(xiàn)數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)的高效性和節(jié)能性。

二、數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)原理簡介

無線充電系統(tǒng)主要利用電磁感應原理。電磁感應方案就是利用變壓器原理，次級線圈的感應來實通過初、現(xiàn)電能的傳輸?；谶@種方式的無線電能傳輸系統(tǒng)主要有三大部分組成，即能量發(fā)送端、無接觸變壓器.能量接收端。當發(fā)送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質(zhì)中形成一個交變磁場，接收線圈中產(chǎn)生的感應電動勢可供電給移動設備或者給電池充電。這種方案的特點是能量接收端和次級線圈相連，可靈活移動，電路簡單，易于實現(xiàn)，可用于距離要求不高但又不需要機械和電氣連接的場合。。

三、數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)整體框架設計

無線充電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路5部分組成，系統(tǒng)框架如下圖（1）所示，最后給可充電電池充電。從無線電路傳輸?shù)脑砩峡矗娔?、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。如圖1所示。

（二）恒功率電路設計

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測量整流完的電路的電壓電流。AD8219是一款高壓、高分辨率分流放大器。設定增益為60V/V，在整個溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為±0.3%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉(zhuǎn)換器接口。AD8219提供從4V到80V的出色輸入共模抑制性能，在分流電阻上執(zhí)行單向電流測量，通過高頻電容整流后的直流電，通過兩個電阻分壓送入單片機的ADC讀取電壓電流值，由P=UI計算出功率P。

3.3功率LCC功率補償系統(tǒng)設計

對于LCC中的并聯(lián)電容Cpp，它的計算公式為：

（1）

可以看到它與頻率的平方成反比，當頻率從95kHz→200kHz，對應的比率r = 2.015 r = 2.015r=2.015，經(jīng)過換算對應的電容有615，變成615/r2 =138.8nF。

四、結(jié)論

數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)具有充電效率高、充電速度快、充電安全性高等優(yōu)點，可廣泛應用于各種電子設備。本文對數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)進行了研究與設計，探討了其工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關鍵技術(shù)創(chuàng)新。未來，隨著無線充電技術(shù)的不斷成熟，數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)有望成為充電領域的重要發(fā)展方向。

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[3] 金鑫.AGV 小車無線充電裝置的設計[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學院學報，2020，22（4）：114-116.

課題項目：湖北汽車工業(yè)學院2023年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“數(shù)控超級電容無線充電系統(tǒng)研究與設計”（DC2023039）。