孫藝銘 蔡抒凝 王博 范佩升 張麗

摘 要：以動(dòng)態(tài)無線充電為研究對象，在理論分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于超級電容儲(chǔ)能的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)以磁耦合共振的方式，將直流電源進(jìn)行變換，得到交流高頻的電，通過LC諧振的發(fā)射線圈和接收線圈實(shí)現(xiàn)電能傳輸，經(jīng)過整流后對超級電容組進(jìn)行充電。放電時(shí)通過Buck-Boost變換為小車提供行駛的動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)分析了不同的電容組合和不同的線圈距離對電能傳輸?shù)年P(guān)系，最后實(shí)驗(yàn)證實(shí)了動(dòng)態(tài)無線充電相比于靜態(tài)充電有著較高的綜合系統(tǒng)效率。

關(guān)鍵詞：無線充電;動(dòng)態(tài)充電;小車;性能分析;超級電容

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們也愈加重視因尾氣排放造成的環(huán)境影響，作為使用清潔能源的代表，電動(dòng)汽車因綠色，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸普及開來，國內(nèi)比亞迪等公司在電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展上取得了優(yōu)秀的成績。無線充電因運(yùn)輸便捷，較低的成本價(jià)格，不需要接線的特點(diǎn)引起了眾多領(lǐng)域的關(guān)注[1]。而超級電容器也因?yàn)槟芰棵芏却?，可快速以極高的電流充放電，具有很長時(shí)間的使用年限[2]，在低溫工況下的放電性能比傳統(tǒng)的Li-ion電池和鉛酸電池都要好等特點(diǎn)使其在電動(dòng)汽車上有著很好的發(fā)展前途[3]。在行駛的道路上鋪設(shè)無線充電的發(fā)射線圈，使車輛在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)無線充電，提高車輛續(xù)航里程。本文用實(shí)踐作為出發(fā)點(diǎn)，在理論分析的基礎(chǔ)上建立一個(gè)實(shí)物系統(tǒng)模型，為電動(dòng)汽車的電容儲(chǔ)能及動(dòng)態(tài)無線充電理論做了初步的探究。

2 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)由部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1，分為5V/1A直流穩(wěn)壓電源、MSP430F149 控制器、無線充電發(fā)射端、無線充電接收端、超級電容模組、DC/DC 穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流無刷電機(jī)和導(dǎo)航傳感器幾個(gè)部分。

系統(tǒng)關(guān)鍵電路在于無線電源系統(tǒng)（發(fā)射端），通過控制器輸出的信號使得功率元件輸出高頻交流信號，然后發(fā)生并聯(lián)諧振。初級線圈通過電磁感應(yīng)使次級線圈產(chǎn)生電流。原理是利用兩個(gè)相同頻率的振蕩電路在其波長的范圍內(nèi)通過近場瞬逝波耦合[4]。這時(shí)能量可以通過發(fā)射端的線圈高效率的傳輸給接收端的線圈。通過整流電路為車載的超級電容進(jìn)行充電，經(jīng)自適應(yīng)的Buck-Boost變換電路給小車供電，小車在運(yùn)動(dòng)過程中由鋪設(shè)在地面上的多個(gè)充電線圈進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)小車的動(dòng)態(tài)無線充電。

3 相關(guān)參數(shù)的選取

3.1 諧振頻率

通常來說，諧振頻率越高，傳輸效率也越高，但在實(shí)際應(yīng)用中由于MOSFET的開關(guān)頻率限制，如果選用過高的頻率會(huì)在開關(guān)元件上的損失掉大量能量，造成傳輸效率降低，因此頻率往往是根據(jù)元件參數(shù)最先選定的，本設(shè)計(jì)中設(shè)置諧振頻率為120kHz。

3.2 線圈電感

線圈的電感值取決于匝數(shù)和繞制的精度，器計(jì)算公式為：

匝數(shù)越多則可以產(chǎn)生越大的磁通量，但導(dǎo)線中存在電阻，因此匝數(shù)增加的同時(shí)也增大了線圈上的能量損耗。因此，本設(shè)計(jì)中選取發(fā)射線圈電感值為9.6μH，接收線圈電感值為20μH。接收與發(fā)射線圈匝數(shù)比為3：1。

3.3 諧振補(bǔ)償電容

在確定了諧振頻率和電感大小后由公式可推導(dǎo)出：發(fā)射線圈補(bǔ)償電容值為180nF;接收線圈補(bǔ)償電容值為86nF，均使用并聯(lián)補(bǔ)償。

4 硬件設(shè)計(jì)與分析

4.1 電路設(shè)計(jì)

圖2（a）為無線發(fā)射端的全橋驅(qū)動(dòng)原理圖，控制器輸出兩路互補(bǔ)PWM波至DC-AC的逆變模塊上的功率驅(qū)動(dòng)芯片，再由功率驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)MOSFET構(gòu)成的全橋產(chǎn)生高頻交流電流通向線圈，接收端通過整流獲得直流電用于為車載超級電容充電。

電容充電時(shí)電容上的電壓高于系統(tǒng)工作電壓，但當(dāng)電容放電至一定程度時(shí)的電壓又低于系統(tǒng)工作的電壓，如果直接使用電容供應(yīng)的電源會(huì)造成芯片的的不正常工作甚至燒毀。因此使用TPS63020電源管理芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，原理圖如圖2（b），將供電電壓恒定在系統(tǒng)的工作電壓上，使得控制器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 傳輸距離的優(yōu)化分析

為選取更合適的傳輸距離以提升傳輸效率，進(jìn)行傳輸距離與接收端電壓關(guān)系的測試，得到如表1的輸距離與端口電壓的關(guān)系。

根據(jù)測試結(jié)果，發(fā)射線圈與接收線圈的距離越近，接收端的端口電壓也就越高，因此小車上線圈的布置應(yīng)盡可能的貼近發(fā)射線圈。

3.3 超級電容的數(shù)量選取分析

超級電容單體的容量為3V/20F，通過資料[5]得知穩(wěn)壓芯片TPS63070可在輸入電壓為9V-5V區(qū)間轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)95%，通過不同數(shù)量的串聯(lián)電容組合，測量得出充電60秒后的電容組合與充電電壓的關(guān)系表，如表2。

可以看出，在6個(gè)電容串聯(lián)時(shí)充電最高電壓可充至9v左右，電源管理芯片對此電壓范圍的能量轉(zhuǎn)換效率較高。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在地面上每隔50cm布置一個(gè)發(fā)射線圈，用于模擬運(yùn)行過程中小車的動(dòng)態(tài)充電，起點(diǎn)處無線充電發(fā)射端充電60s后勻速行駛，實(shí)驗(yàn)記錄充入的電能和距離，得到如表3 的數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，通過使用電容儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，比靜態(tài)無線充電情況下的充電效率更高，行駛過程中綜合耗電量也小。有效的提升了無線充電的綜合系統(tǒng)效率。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于超級電容儲(chǔ)能的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，通過多次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了系統(tǒng)的高效率電能轉(zhuǎn)換和利用，在性能測試中，小車在動(dòng)態(tài)充電提升續(xù)航方面的表現(xiàn)出了較好的結(jié)果，在一定范圍上為電動(dòng)汽車無線充電的多元化發(fā)展提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾慶捷.我國電動(dòng)汽車充電技術(shù)發(fā)展趨勢探析[J].山西電力，2020（02）：38-40.

[2]李軍求，孫逢春，張承寧，李紅林.純電動(dòng)大客車超級電容器參數(shù)匹配與實(shí)驗(yàn)[J].電源技術(shù)，2004（08）：483-486+507.

[3]邱亮，王曉，陶正華.超級電容儲(chǔ)能式有軌電車充電裝置輸出過電壓分析及保護(hù)[J].城市軌道交通研究，2020，23（01）：72-74.

[4]程時(shí)杰，陳小良，王軍華，文勁宇，黎靜華.無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（19）：68-84.

[5]Texas Instruments. TPS63070 2-V to 16-V Buck-Boost Converter With 3.6-A Switch Current datasheet [EB/OL]. https：//www.ti.com/product/TPS63070，2019-9-4.