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        電動汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2021-05-21 08:42:06安徽理工大學(xué)何榭宇
        電子世界 2021年8期

        安徽理工大學(xué) 何榭宇

        利用磁共振技術(shù)進(jìn)行無線電力傳輸(WPT),這項技術(shù)可以讓人從惱人的電線中解脫出來。目前已經(jīng)進(jìn)行了不同的研究,并在持續(xù)提高無線功率傳輸?shù)男?。研究人員正試圖通過提高傳輸功率來增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。該項目實施了WPT創(chuàng)新,為電動汽車電池充電。在本研究中,對收發(fā)電路的距離電平進(jìn)行了優(yōu)化,同時檢測了收發(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)線來計算其輸出效率。最后,討論了在電動汽車中實施無線技術(shù)的成本和其他因素。這一實證結(jié)果有助于解決在有線技術(shù)中出現(xiàn)的幾個問題,如電擊、成本、因電線而產(chǎn)生的麻煩、充電程序等。

        1 介紹

        在這個科技時代,WPT創(chuàng)新以其智能的使用和便捷而聞名。通過實施該方案,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。無線電力傳輸(WPT)技術(shù)近年來得到了迅猛的發(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,它會因為某些原因?qū)е码姄粼斐扇松韨?,并且成本高。WPT技術(shù)可以大大減輕這些因素的影響。因為無線技術(shù)比有線技術(shù)有優(yōu)勢,所以電動汽車也會非常受歡迎。更具體地說,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)浇邮掌鳎諝饪梢宰鳛閭鬟f這種力量的媒介。它包括兩個線圈,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,電壓由接收線圈中的磁場產(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)波被用來通過大氣傳輸電力,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汽車的電池在沒有電線的情況下充電,并利用這種電池能量來操作電動汽車。最后介紹了一種新型的無線充電系統(tǒng),該系統(tǒng)減少了對自然燃料的使用,易于充電,無需布線,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,通過降壓變換器降低電壓。然后整流元件將這個交流電變?yōu)橹绷麟姟?55定時器就像一個不穩(wěn)定的多諧振蕩器,產(chǎn)生一個頻率過高的方波脈沖。由此產(chǎn)生的過多頻率的交流電源被轉(zhuǎn)移到初級線圈上。二次線圈通過電磁感應(yīng)獲得這種能量。然后通過整流器將這個電壓轉(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)計如圖2所示。在電路中使用555定時器作為一個不穩(wěn)定的多諧振蕩器,這里它產(chǎn)生了一個高頻率的方波,測量的頻率接近55khz。然后通過初級線圈傳輸這個過度頻率的交流電壓。在二次線圈中通過電磁感應(yīng)無線接收電壓,然后將其整流成低直流電壓,通過升壓轉(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。這里這個交流適配器將交流220v的電壓級別修改為直流5V的電壓級別。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定時器輸出波形

        這里用555定時器加一個高頻輸入電壓。因為直流電沒有頻率,所以不可能從發(fā)射端無線傳輸直流電到接收端。此外,為了無線傳輸功率,它還要求輸入電平有較高的頻率,這樣接收器就可以通過電磁感應(yīng)來接收功率。這就是使用555定時器的原因。圖4顯示了使用555定時器后的輸出波形。

        圖5 發(fā)射線圈輸入波形

        利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(IRF3205)放大5555定時器的輸出信號,比雙極結(jié)晶體管(BJT)具有更快的開關(guān)能力。此時,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,整流器主要是用來將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,因為電池充電需要直流電源。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確定效率,在功率和距離之間有一種聯(lián)系。在這項研究中,我們能夠通過無線方式給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)程充電還沒有完全實現(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)縮短充電時間,這些都是今后可能進(jìn)行的大量研究工作。同時,減小了發(fā)射和接收線圈的尺寸,并分析了該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的合理性。

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