李銳 王龍 劉杰 郭楊洋 李銀政 蘇龍飛

摘 要：數(shù)控超級(jí)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(luò)，將電能無線傳輸給超級(jí)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(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于微型設(shè)備、智能穿戴、機(jī)器人等領(lǐng)域。數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)的立項(xiàng)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(shí)也可以推動(dòng)無線充電技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；無線充電；磁諧振

一、研究目的及意義

數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)是一種利用無線充電模塊為超級(jí)電容組提供電能的系統(tǒng)。超級(jí)電容是一種新型的電化學(xué)元件，具有充電速度快、功率密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。無線充電是一種通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)募夹g(shù)。數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)充電，提高設(shè)備的使用效率和壽命。電子設(shè)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(duì)有線充電器和電源線的依賴，同時(shí)也可以保護(hù)設(shè)備的充電接口，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

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

測(cè)試和評(píng)估數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)的性能，包括充放電時(shí)間、能量傳輸效率、溫升情況、穩(wěn)定性等指標(biāo)，并與有線充電方式進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)的立項(xiàng)的目標(biāo)主要有以下幾個(gè)：

實(shí)現(xiàn)數(shù)控超級(jí)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(shí)現(xiàn)數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)的高效性和節(jié)能性。

二、數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

無線充電系統(tǒng)主要利用電磁感應(yīng)原理。電磁感應(yīng)方案就是利用變壓器原理，次級(jí)線圈的感應(yīng)來實(shí)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(dāng)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(gè)交變磁場(chǎng)，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可供電給移動(dòng)設(shè)備或者給電池充電。這種方案的特點(diǎn)是能量接收端和次級(jí)線圈相連，可靈活移動(dòng)，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可用于距離要求不高但又不需要機(jī)械和電氣連接的場(chǎng)合。。

三、數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

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?，電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(qiáng)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(shè)計(jì)

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測(cè)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(shè)定增益為60V/V，在整個(gè)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(cè)量，通過高頻電容整流后的直流電，通過兩個(gè)電阻分壓送入單片機(jī)的ADC讀取電壓電流值，由P=UI計(jì)算出功率P。

3.3功率LCC功率補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于LCC中的并聯(lián)電容Cpp，它的計(jì)算公式為：

（1）

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

四、結(jié)論

數(shù)控超級(jí)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(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。本文對(duì)數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，探討了其工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)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(jí)電容無線充電系統(tǒng)有望成為充電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

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課題項(xiàng)目：湖北汽車工業(yè)學(xué)院2023年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“數(shù)控超級(jí)電容無線充電系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”（DC2023039）。