陳威 程卓 陳鑫

摘 要：本文介紹了一種新型的汽車遠距離無線充電裝置，以及該裝置的基本結(jié)構(gòu)，工作原理和工作特點。具體闡述了該裝置的未來前景，以及它在未來工作生活中的重要作用。該裝置運用了電磁感應(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，將會給我們的出行帶來巨大的麻煩，因此該裝置不僅安全環(huán)保還能給我們的工作生活帶來極大的便捷。

關(guān)鍵詞：無線充電;電磁感應(yīng);環(huán)保

1.引言

隨著經(jīng)濟和科技領(lǐng)域的雙向騰飛發(fā)展，無線充電在消費電子領(lǐng)域市場巨大，除運用于智能手機智能手表等可穿戴設(shè)備、平板電腦等諸多消費電子終端產(chǎn)品之外，無線充電技術(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短、頻繁充電和充電樁難找，無線充電技術(shù)裝置可以解決充電頻繁問題，在這一場新革命中占據(jù)著重要地位。因此，無線充電技術(shù)裝置將來有著很大的市場前景。

2.主體設(shè)計

2.1設(shè)計原理

所謂無線充能就是能夠?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，接收裝置以及一個超大的電容。需要給電容一些充電時間，因此發(fā)射端可以根據(jù)STC12CA60S2單片機的原理設(shè)計一個內(nèi)部定時開關(guān)，接通電源后單片機內(nèi)部定時器開始準確的計時，為了能足夠充電，可設(shè)置倒計時為一分鐘，在一分鐘倒計時結(jié)束之后，發(fā)射端的線圈斷開連接，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，進而對超大電容進行充電。這樣才能夠使電機達到自啟動的效果。自啟動的電路模板可以參考TPC8111，制作自啟動電路的核心芯片。如圖1所示。

2.2電路設(shè)計

諧振網(wǎng)絡(luò)包括電感，電容和分流電容，與外部電路無能量交換。首先無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)過電力電子變換器，同時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)的能量直接進行過濾轉(zhuǎn)換，使接收線圈感應(yīng)的交流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，但是整流后的電壓可能會超過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，儲存能量的密度就比較大，額定功率高，高低溫適應(yīng)能力強，經(jīng)過工藝上處理，可以在-45°到60°的環(huán)境下使用。同時具備到功率的承受力，其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力，便于高強度的啟動加速，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，一般可達到六年以上，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，也符合我們設(shè)計的初心。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，充電效率可能都會減慢，還會導(dǎo)致溫度省道壽命縮短，甚至有爆炸的危險。因此我們需要ZigBee無線通信技術(shù)給我們一個負反饋調(diào)節(jié)，能夠隨時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)，通過檢查電池電壓和電流的增量來判斷電池充電狀態(tài)，動態(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)和模糊控制等先進算法技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動優(yōu)化。

脈沖充電

主要包括三個階段：預(yù)充、恒流充電和脈沖充電。在恒流充電過程中以恒定電流對電池進行充電，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，進入脈沖充電模式：用1C的脈沖電流間歇地對電池充電。在恒定的充電時間Tc內(nèi)電池電壓會不斷升高，充電停止時電壓會慢慢下降。當(dāng)電池電壓下降到上限電壓（4.2V）后，以同樣的電流值對電池充電，開始下一個充電周期，如此循環(huán)充電直到電池充滿。在脈沖充電過程中，電池電壓下降速度會漸漸減慢，停充時間T0會變長，當(dāng)恒流充電占空比低至5%～10%時，認為電池已經(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被消除，使下一輪的充電更加順利地進行，充電速度快、溫度的變化小、對電池壽命影響小，因而目前被廣泛使用。但其缺點很明顯：需要一個有限流功能的電源，這增加了脈沖充電方式的成本。

3.生產(chǎn)要求和測試

（1）考慮到充電汽車的性能問題，相同的汽車可能由電帶動汽車運行不及燃油帶動汽車運行，因此充電汽車的材料應(yīng)該選取相對輕盈，韌性高，并且還具備一定的堅固性。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)置定點充電，制作充電站的方案。

（3）電路板的焊接問題，一定要焊接點密集，各個焊接點之間不能相連，每個元件的正負極可用萬用表進行驗證，結(jié)束之后，觀察是否有毛刺需要處理，檢查是否存在虛焊，仔細對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，形狀進行測試，過大會增大小車質(zhì)量，國小傳導(dǎo)效率不高。兩者之間的距離測試，太近了會導(dǎo)致充電不便，太遠了也會導(dǎo)致效率不高，損耗過量。

（5）對各個接口的檢查，同上面檢查電路板一樣均可使用萬用表來測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，正負極的連接是否正確。確認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，尤其是檢查無線電能接收端能否接收到發(fā)射端傳遞來的電能信號，并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，自啟動裝置能否正常運行。

4.結(jié)語

無線充電汽車具有節(jié)能，便捷等特點，適用于所有需要開車的用戶。如果這種汽車能夠普及目前的汽車市場對人們的環(huán)保意識也是可以肯定的，不僅給與用戶一個極佳的體驗，而且對我們生存環(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題，所以其有著一定的市場應(yīng)用和推廣價值。

參考文獻：

[1]范祖良.新能源汽車中基于磁耦合諧振的無線電能傳輸線圈橫向錯位影響分析及線圈自動調(diào)節(jié)設(shè)計[J]創(chuàng)新前沿，2020.

[2]左仁合，無線充電小車的設(shè)計[J]電子制作2020，第15期

[3]許林玉，電動汽車無線充電未來可期[J]世界科學(xué)2020.07期

[4]季樂樂.基于磁耦合諧振的電動汽車無線充電技術(shù)的研究[D]安徽工程大學(xué)，2019.06：2-7.

[5]任健.汽車無線自動定位充電裝置系統(tǒng)的設(shè)計與探索[J]時代汽車，2019.

[6]楊彥彬.基于車輪接收能量的行駛中電動汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計[J]制造業(yè)自動化，2018.12：第12期.

[7]林欽永.基于騰訊云平臺的智慧家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]電子測試2020

作者簡介：

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

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

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)機器人系統(tǒng)仿真，視覺識別。

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

（武漢商學(xué)院 ?湖北 ?武漢 ? 430056）