熊夢(mèng)龍，宋泉樹(shù)，陳海浪，穆 躍，馬成虎，陳興文，劉 燕

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

1 設(shè)計(jì)背景

隨著全球環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題的日益突出，電動(dòng)汽車(chē)由于其使用的能源具有清潔和零排放特點(diǎn)已經(jīng)得到世界各國(guó)的廣泛推廣，但是由于受車(chē)載電池容量和充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善等限制，在一定程度上影響其續(xù)航能力和長(zhǎng)距離行駛。究其原因主要是目前電動(dòng)汽車(chē)的充電方式屬于靜態(tài)充電，無(wú)論是有線(xiàn)的還是無(wú)線(xiàn)的模式，其電能輸送端與接收端要相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這樣必將由于充電次數(shù)影響其行駛效率。如果采用動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)不用停下來(lái)充電也可以持續(xù)行駛的設(shè)想，特別是對(duì)具有城市公交專(zhuān)用道的公交車(chē)輛來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)利好的技術(shù)變革，會(huì)大大提高城市公共交通的效率。

基于上述想法，以電動(dòng)小車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)搭建模擬城市專(zhuān)用公交道行駛環(huán)境，利用電磁耦合和超級(jí)電容等電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套基于動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，對(duì)小車(chē)在無(wú)源條件下的自動(dòng)行駛性能測(cè)試。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

電動(dòng)小車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。小車(chē)按照?qǐng)D中左邊所示的黑色引導(dǎo)線(xiàn)(半徑70cm)行駛，在引導(dǎo)線(xiàn)的 A、B、C、D處設(shè)置無(wú)線(xiàn)充電裝置的發(fā)射線(xiàn)圈，系統(tǒng)提供1臺(tái)1A5V的直流穩(wěn)壓電源作為源動(dòng)力。其工作原理：首先發(fā)送端的電能變化裝置將直流穩(wěn)壓電源提供的電流電壓經(jīng)過(guò)DC-DC變?yōu)橹绷鞲邏海缓笤賹⒏邏褐绷髯儞Q為交變信號(hào)，最后通過(guò)發(fā)送端線(xiàn)圈發(fā)射；接收端線(xiàn)圈通過(guò)磁耦合可以產(chǎn)生與發(fā)送端頻率一致的交流電動(dòng)勢(shì)，接收端通過(guò)車(chē)載控制器將能量變換成小車(chē)所需的電源[1]。

圖1 智能小車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電，通過(guò)控制相應(yīng)位置發(fā)送端線(xiàn)圈的開(kāi)關(guān)，從而控制該處的發(fā)送端繞組處于工作狀態(tài)(此時(shí)其他位置的發(fā)射端繞組處于關(guān)斷狀態(tài))，當(dāng)小車(chē)移動(dòng)到此處，可以與車(chē)上的接收端繞組發(fā)生諧振，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電能傳輸。本實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證充電效率與小車(chē)?yán)m(xù)航能力之間的關(guān)系，故沒(méi)有給小車(chē)配備可充電源，小車(chē)上的動(dòng)力提供由超級(jí)電容的充放電實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳輸耦合和儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)，因?yàn)槎咧苯佑绊懶≤?chē)的續(xù)航能力。

3 動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)核心模塊設(shè)計(jì)

3.1 電磁耦合模塊設(shè)計(jì)

電磁耦合模塊是動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)電能非接觸傳輸?shù)暮诵牟考?，通過(guò)對(duì)發(fā)送端和接收端繞組線(xiàn)圈參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，可以較好的改善充電系統(tǒng)的輸出功率以及傳輸效率。充電系統(tǒng)能否高效穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)非接觸傳輸是衡量耦合模塊性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能提高發(fā)送和接收線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)、發(fā)送端和接收端諧振電路應(yīng)選用低損耗的電容器，盡最大限度減少發(fā)送端和接收端耦合電阻。

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，發(fā)送端部分可采用利茲線(xiàn)制作的多個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行并聯(lián)，因?yàn)槔澗€(xiàn)可減少充電過(guò)程的集膚效應(yīng)和能量損耗。設(shè)繞制線(xiàn)圈的利茲線(xiàn)長(zhǎng)度為l,導(dǎo)線(xiàn)橫截面面積S，導(dǎo)線(xiàn)的橫截面直徑為a，電阻率為ρ，線(xiàn)圈半徑r、線(xiàn)圈匝數(shù)N、諧振角頻率ω、導(dǎo)磁率μ0。

耦合諧振線(xiàn)圈的直流電阻為：

(1)

耦合諧振線(xiàn)圈的電感值：

(2)

其對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因素為:

(3)

從(3)式可見(jiàn)，品質(zhì)因數(shù)和線(xiàn)圈的半徑和線(xiàn)圈的匝數(shù)成正比關(guān)系，品質(zhì)因數(shù)會(huì)隨著線(xiàn)圈半徑的增大和匝數(shù)的增加而增大[2]。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)手頭的線(xiàn)圈材料情況，利用上面的公式具體計(jì)算和實(shí)際測(cè)定完成。

3.2 超級(jí)電容器模塊設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的新型儲(chǔ)能器件，其結(jié)構(gòu)是對(duì)多個(gè)超級(jí)電容單體進(jìn)行串并聯(lián)組合，利用其優(yōu)良的脈沖充放電和大容量?jī)?chǔ)能性能，以滿(mǎn)足大容量和大功率的場(chǎng)合應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中由于小車(chē)沒(méi)有搭載電池，因此其續(xù)航能力及動(dòng)力來(lái)源于超級(jí)電容放電過(guò)程產(chǎn)生的能量。

設(shè)E為電容能量，C為電容容量，U為電容電壓，電容的儲(chǔ)能公式為：

E=0.5CU2.

(4)

當(dāng)電容放電從U1開(kāi)始到U2結(jié)束所釋放出的能量為:

(5)

在此期間維持了t秒的I電流，

U(t)=U1-It/C.

(6)

(7)

經(jīng)積分化簡(jiǎn)可求得:

(8)

考慮物理意義，此處選取較大值:

(9)

從(9)式看出，可根據(jù)超級(jí)電容的充電電壓U1、小車(chē)行駛所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)最小電壓U2、電流I、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊[3]。

3.3 升壓模塊的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步增強(qiáng)電動(dòng)小車(chē)的續(xù)航能力，將升壓電路接入超級(jí)電容，以滿(mǎn)足電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作的需求。升壓模塊采用雙向DC-DC模塊中的升壓部分，相比于純Boost電路，它的優(yōu)點(diǎn)在于二極管兩端并聯(lián)了一個(gè)MOS管，自舉回路不會(huì)變成低阻回路，解決了電路在小電流時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足D=(V0-V)/V0的線(xiàn)性條件。通過(guò)整流和利用TPS63020進(jìn)行DC-DC升壓為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，電路如圖2所示。

圖2 升壓模塊電路

3.4 充電線(xiàn)圈路徑循跡模塊

為了實(shí)驗(yàn)測(cè)試方便，將發(fā)送端的線(xiàn)圈布局在一個(gè)圓上，并用黑線(xiàn)連接便于小車(chē)在指定路線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)采用的是TCRT5000傳感器，其內(nèi)部集成了一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管，利用對(duì)黑白反射輸出狀態(tài)的差異，保證小車(chē)循跡運(yùn)動(dòng)。其電路如圖3所示。

圖3 紅外循跡模塊設(shè)計(jì)

4 測(cè)試與分析

◆超級(jí)電容性能測(cè)試：實(shí)驗(yàn)中選用耐壓6.3V、100F的電容，按照2個(gè)串聯(lián)、2串1并、2串2并、3串2并四種情況測(cè)試，在相同的充電時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)測(cè)試3串2并超級(jí)電容組充電后的平均電壓相對(duì)穩(wěn)定。

◆電能非接傳輸觸效率測(cè)試：實(shí)驗(yàn)中選用發(fā)送端線(xiàn)圈與接收端線(xiàn)圈非接觸距離在5mm、10mm、15mm情況下，在相同充電時(shí)間和同一超級(jí)電容結(jié)構(gòu)情況下，測(cè)試其電能傳輸與儲(chǔ)能情況，經(jīng)過(guò)測(cè)試距離越近效果越好，但是距離過(guò)小影響小車(chē)以后越障應(yīng)用；這里建議給線(xiàn)圈加Mn-Zn磁芯，避免磁場(chǎng)發(fā)散，使更多的磁力線(xiàn)從磁芯通過(guò)，提高傳輸效率。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試與分析，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的斷電后自動(dòng)啟動(dòng)、超級(jí)電容的無(wú)線(xiàn)充電以及自動(dòng)循跡行駛等功能，可達(dá)到動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電原理的演示效果，為以后功能擴(kuò)展和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境。