郭泓序，李 玲

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外電子設(shè)備的常規(guī)充電方式通常是通過交流電源和電子設(shè)備的二次電池充電來實(shí)現(xiàn)的。使用這種頻繁的連接和斷開模式可能會(huì)損壞線路并導(dǎo)致觸電。而另一方面，非接觸式感應(yīng)充電器由于運(yùn)輸方便、成本低、無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段很快引起了各界的關(guān)注[1]。無(wú)線充電也稱為感應(yīng)充電和非接觸式感應(yīng)充電。電器組合是一種通過供電設(shè)備(充電器)將能量傳遞給需要電能的裝置。利用設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)用接收到的能量給電池充電。充電器與電氣設(shè)備之間的電感連接是這樣的，在能量傳遞過程中，兩臺(tái)機(jī)器之間沒有電氣連接，因此不用過多地?fù)?dān)心會(huì)存在充電器和電氣設(shè)備導(dǎo)線或接點(diǎn)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(huì)總投入成本都成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。

目前，電動(dòng)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(wú)線充電這項(xiàng)技術(shù)想要運(yùn)用在電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車上的主要制約因素在于該技術(shù)相對(duì)較低的效率以及對(duì)頻率和參數(shù)變化十分敏感。因此,全面的特性分析是設(shè)計(jì)一個(gè)高效強(qiáng)健的無(wú)線充電系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題[4]。

超級(jí)電容近年來發(fā)展迅速，是一種新型的大容量的能量?jī)?chǔ)存元件，同時(shí)也是很好的儲(chǔ)能器件，很適合用作電動(dòng)小車的儲(chǔ)能元件，可實(shí)現(xiàn)供其儲(chǔ)能優(yōu)良達(dá)到運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)的效果。使用超級(jí)電容取代化學(xué)式蓄電池是目前科學(xué)家研究的一個(gè)熱門課題，因?yàn)槠渚哂袎勖L(zhǎng)、對(duì)環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)。也就是說，它可以利用在電場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量而不是在化學(xué)反應(yīng)物中所存儲(chǔ)的能量，這種方式可以延長(zhǎng)充電和放電的周期[5]。由此，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)科研成果的不斷產(chǎn)生和突破，今后把超級(jí)電容用于無(wú)線充電來取代化學(xué)式蓄電池，也必將成為現(xiàn)實(shí)。本系統(tǒng)正是運(yùn)用了超級(jí)電容的充電速度快、儲(chǔ)能容量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以其作為基本儲(chǔ)能裝置的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由無(wú)線充電發(fā)射接收模塊、儲(chǔ)能模塊、TI控制模塊組成的。采用無(wú)線充電發(fā)射接收是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的無(wú)線動(dòng)態(tài)充電，發(fā)射線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)原理可知，裝載在小車底盤上的副線圈會(huì)因?yàn)檠b載在跑道上的通電線圈(原線圈)產(chǎn)生的磁場(chǎng)而產(chǎn)生電場(chǎng)，會(huì)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流，最終將產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置模塊中，以供斷電時(shí)為小車持續(xù)不斷地提供前進(jìn)的電能。

無(wú)線電能傳輸方式：該設(shè)計(jì)利用電感耦合，是由震蕩電路產(chǎn)生交流信號(hào)，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(dòng)使發(fā)射端線圈產(chǎn)生交流電磁場(chǎng)，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(jí)電容充電，當(dāng)無(wú)線充電發(fā)射器停止充電時(shí)，使用繼電器自動(dòng)控制開關(guān)，經(jīng)Boost變換給小車供電，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電電動(dòng)小車前進(jìn)。

圖1為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖，無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)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(shí)，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(gè)2 MHz晶振通過逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給無(wú)線充電初級(jí)繞組。通過初級(jí)繞組和次級(jí)繞組2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)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(jí)電容充電。

無(wú)線充電裝置的接收線圈安裝在小車底盤上，僅采用超級(jí)電容作為小車儲(chǔ)能元件。發(fā)射模塊通電后，發(fā)射線圈通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)到達(dá)副線圈當(dāng)中，副線圈就成為接收模塊，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。充電產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容組當(dāng)中，當(dāng)外界斷電時(shí)，超級(jí)電容放電，將電能提供給小車電機(jī)，實(shí)現(xiàn)供電。單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)控制小車的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)到點(diǎn)停車兩個(gè)動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 涉及無(wú)線充電電路的有關(guān)計(jì)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(wú)鐵心的電感值大。對(duì)于諧振耦合線圈來說，整個(gè)磁耦合諧振式無(wú)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(duì)應(yīng)計(jì)算公式為：

(1)

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

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

(2)

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

(4)通過磁感應(yīng)諧振來實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸拓?fù)洹?/p>

為了達(dá)到提高磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率的目的，需要對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)電路加入諧振補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)選用S-P補(bǔ)償，即一次側(cè)串聯(lián)電容、二次側(cè)并聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)芯片的選型

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

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

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

3.2 電路的設(shè)計(jì)

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(dòng)小車供電的相關(guān)要求，因此就需要升壓。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是使用XL6009升壓電路來實(shí)現(xiàn)的相關(guān)升壓變換，將電壓升高，最終給超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)相關(guān)的充電。

圖2 升壓電路原理圖

圖3電路是實(shí)現(xiàn)小車充放電的電路原理圖，可以設(shè)計(jì)選用2.7 V、100 F的電容。對(duì)于驅(qū)動(dòng)小車的電動(dòng)機(jī)來說，由于單個(gè)電容的電容值較小，儲(chǔ)存的電能少，在放電時(shí)，放電速度快且電能少，不能滿足使小車正常運(yùn)行且行駛距離遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)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(cè)試之后，選用將三個(gè)電容串聯(lián)的模式，共需兩組，共6個(gè)電容，兩組電容充電時(shí)并聯(lián)，放電給小車供電時(shí)為串聯(lián)。充電時(shí)，繼電器K1在5位置，K2在4位置，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)；放電時(shí)，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(shè)計(jì)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(shí)，光敏電阻的感光系統(tǒng)發(fā)揮作用，控制兩個(gè)繼電器的不斷開合，從而使兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，或一個(gè)轉(zhuǎn)速快，一個(gè)轉(zhuǎn)速慢，以此來實(shí)現(xiàn)小車不同方向的偏轉(zhuǎn)，最終達(dá)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(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)提供電能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的跑道為標(biāo)準(zhǔn)圓形軌道。在平板上布置直徑為70 cm的黑色圓形行駛引導(dǎo)線(線寬≤2 cm)，均勻分布在圓形引導(dǎo)線上的A、B、C、D點(diǎn)(直徑為4 cm的黑色圓點(diǎn))上分別安裝無(wú)線充電裝置的發(fā)射線圈。無(wú)線充電系統(tǒng)由1臺(tái)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(shè)計(jì)的跑道圖。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方案

關(guān)于本文設(shè)計(jì)的硬件測(cè)試方案，首先是對(duì)于超級(jí)電容選值：本設(shè)計(jì)選用2.7 V、100 F的電容，然后將6個(gè)電容每3個(gè)串聯(lián)在一起，分為兩組，兩組電容充電時(shí)并聯(lián)，放電給小車供電時(shí)為串聯(lián)。通過多次的更換測(cè)試，選出存儲(chǔ)電能效率最高的電容值。其次便是對(duì)軟件仿真測(cè)試：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)用MSP430芯片，通過燒錄程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)小車斷電后自動(dòng)啟動(dòng)以及在B點(diǎn)自動(dòng)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(duì)電路進(jìn)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(jī)燒寫定時(shí)1 min 程序，1 min延時(shí)后，通過控制繼電器和舵機(jī)動(dòng)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(huì)立即啟動(dòng)。

圖4 循跡系統(tǒng)電路原理圖

圖5 跑道原理圖

4.2 測(cè)試條件與儀器

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試，要進(jìn)行多次重復(fù)檢查，確保繪制的的仿真電路和實(shí)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(wú)誤，每一個(gè)硬件電路要做到無(wú)虛焊。對(duì)于本設(shè)計(jì)相關(guān)的一些測(cè)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(wàn)用表、指針式萬(wàn)用表等儀器，用精密的儀表和精確的測(cè)量來努力保證測(cè)試結(jié)果的完整性和準(zhǔn)確性。

4.3 結(jié)果分析

(1)測(cè)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(shí)驗(yàn)過程中對(duì)發(fā)射與接收線圈之間距離的測(cè)定，可以看出，當(dāng)發(fā)射與接收模塊之間距離越近時(shí)，充電電壓就越高，即獲得的電壓值就越大。(其中，當(dāng)距離為0 mm時(shí)表示發(fā)射和接收線圈相接觸。)

②電容數(shù)量的測(cè)試

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

表1 發(fā)射端與接收端距離與充電電壓的關(guān)系表

表2 電容相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試

(2)測(cè)試分析與結(jié)論

硬件選擇需要大量的調(diào)試與測(cè)試，找到最適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的硬件。如果少量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)距離，則通過測(cè)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(huì)導(dǎo)致線圈與地面接觸。最終確定為5 mm的距離。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，本系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，也由此可以得出本設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)論：首先，超級(jí)電容具有較高的充電效率，通過升壓模塊后，可驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其次，單片機(jī)程序可控制小車的自動(dòng)啟動(dòng)，而且還可以控制小車從A點(diǎn)開始行駛并在B點(diǎn)自動(dòng)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)閃充，并且會(huì)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(cè)試，找到最適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的硬件。少量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)距離，通過測(cè)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(yuǎn)。

測(cè)試結(jié)果：在確定最佳方案后進(jìn)行多次測(cè)試，可以得出在A點(diǎn)充電1 min最多可前進(jìn)5～10圈跑道周長(zhǎng)。

5 結(jié)論

充電系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的能源補(bǔ)給系統(tǒng)，其技術(shù)水平對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展起著舉足輕重的作用[7]。通過用超級(jí)電容作為主要的儲(chǔ)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(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)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(jí)電容充電，并將得到的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，以供斷電時(shí)自動(dòng)供電，為小車提供行進(jìn)的電能。通過對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試與分析，系統(tǒng)基本可達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用軟件部分實(shí)現(xiàn)小車的斷電后自動(dòng)啟動(dòng)、運(yùn)用硬件部分實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的無(wú)線充電以及實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車的自動(dòng)循跡行駛功能。由此可見，超級(jí)電容的確具有快速充放電的功能，而且它儲(chǔ)存的電能能夠滿足小車運(yùn)行及控制的相關(guān)需求，并且實(shí)用性強(qiáng)[8]。運(yùn)行的過程中，通過無(wú)線充電發(fā)射和接收模塊時(shí)的不斷結(jié)合，進(jìn)行不斷的無(wú)線充電與斷電自動(dòng)放電，可以實(shí)現(xiàn)使小車持續(xù)不斷地運(yùn)行下去的效果，電能和動(dòng)能的高效循環(huán)利用效果顯著。