基于智能車平臺(tái)的非接觸式充電裝置設(shè)計(jì)

蔡 浩 馬怡恬 楊 明 張偉偉 沈 進(jìn)

（阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236000）

汽車，作為生活的重要交通工具，數(shù)量眾多，但利用不可再生能源作為原動(dòng)力的汽車對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。為了保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，電動(dòng)汽車便成了解決資源短缺和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。在電動(dòng)汽車日漸被大眾所接受的同時(shí)，人們對(duì)于生活便捷的更高要求，使得電動(dòng)汽車的充電方式成為當(dāng)今科技領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。非接觸式充電裝置的效能接收在70%左右，將非接觸式充電與智能汽車相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能汽車的自動(dòng)引導(dǎo)行駛，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，適合未來(lái)新能源汽車發(fā)展的方向[1]。

此次實(shí)驗(yàn)我們首先利用電磁車的特性使小車能夠?qū)さ佬旭偅髮?duì)其進(jìn)行非接觸式充電，整體系統(tǒng)流程如圖1所示。對(duì)此，我們分兩部分進(jìn)行研究，一是小車的尋道方式，二是非接觸式充電裝置。

1 小車尋道方式設(shè)計(jì)

小車尋道利用的是電磁線引導(dǎo)的方式，在智能車的車體前方安裝電磁感應(yīng)線圈，由電磁學(xué)原理可知，通過(guò)比較線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，判斷小車相對(duì)于導(dǎo)線的位置，進(jìn)而對(duì)小車的位置做出調(diào)整，引導(dǎo)小車循徑行駛。要使小車能夠?qū)崿F(xiàn)路徑識(shí)別，主要通過(guò)以下模塊的配合：電磁傳感器模塊、芯片模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)控制模塊。

1.1 電磁傳感器模塊

智能小車的位置信號(hào)由安裝在車體前方的電磁傳感器采集，利用電磁感應(yīng)原理將測(cè)量量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此獲得道路信息，電路如圖2所示。

1.2 芯片模塊

信號(hào)采集處理以MCF52255單片機(jī)為核心，經(jīng)過(guò)AD口進(jìn)行接收轉(zhuǎn)換后判斷小車的位置，用于小車的運(yùn)動(dòng)控制決策并控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。

1.3 電源模塊

電源電路滿足各個(gè)模塊的輸入信號(hào)要求，提供適合并且穩(wěn)定的電源。利用穩(wěn)壓芯片將電源穩(wěn)成5V，為單片機(jī)供電，舵機(jī)利用穩(wěn)壓芯片將電源穩(wěn)成6V供電，而電機(jī)則利用H橋式電路驅(qū)動(dòng)。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

通過(guò)單片機(jī)輸出的PWM控制，功率放大用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成小車的 速度控制和舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖3所示。

2 非接觸式充電裝置

非接觸式充電裝置在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用原理主要有3種。電磁感應(yīng)法：原線圈上通過(guò)一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在副線圈中產(chǎn)生電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端；微波法：可以接收到返回的微波能量，隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)能夠保持穩(wěn)定的直流電壓，它的實(shí)質(zhì)就是用微波束來(lái)代替輸電導(dǎo)線，通過(guò)自由空間傳輸電能[2]；強(qiáng)磁耦合諧振法：強(qiáng)磁耦合諧振法的原理與電磁感應(yīng)法基本相同，不同之處在于充電一側(cè)與接收一側(cè)使用相同的共振周波，可將阻抗限制至最低值并使傳送距離增大。利用共振的原理，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一種“電諧振”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)射端和接收端高效的傳遞[3]。此方法解決了電磁感應(yīng)法無(wú)線充電存在的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)的高效率耦合和中等距離能量的高效傳遞[4]。

2.1 電磁感應(yīng)法

基于法拉第電磁感應(yīng)定律即周圍變化的磁場(chǎng)將在電路回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，并通過(guò)線圈進(jìn)行能量耦合，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。通過(guò)原副線圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而將電能從充電裝置發(fā)送到接收裝置。系統(tǒng)工作時(shí)傳輸端將交流電經(jīng)全橋整流電路轉(zhuǎn)換成直流電，經(jīng)過(guò)電源模塊輸出的直流電通過(guò)有源晶振逆變換轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給原線圈，通過(guò)兩個(gè)電感線圈耦合能量，副線圈輸出的電流經(jīng)接收轉(zhuǎn)換電路變成額定電壓的直流電給電池充電。

在對(duì)無(wú)線充電性能參數(shù)進(jìn)行理論分析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)線圈的形狀大小及材料對(duì)性能有影響，同時(shí)由于原副線圈之間存在間隙,直接影響整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率[5]。電磁感應(yīng)的原理簡(jiǎn)單易懂，但容錯(cuò)率不足，隨著傳輸距離的增加，電能的損耗會(huì)變得很大，所以適用的傳輸距離較近。

2.2 整體分析

3 測(cè)試與分析

測(cè)量得出數(shù)據(jù)：傳輸距離為2cm、傳輸功率為120W時(shí)傳輸效率為90%；傳輸距離為5cm時(shí)傳輸效率為70%。隨著原副線圈之間的距離增大，傳輸功率和傳輸效率會(huì)逐漸降低。可以通過(guò)增加原副線圈磁芯正對(duì)面積或者使停放在不同位置的車輛都能夠達(dá)到有效的磁通耦合的方法來(lái)提高能量轉(zhuǎn)換效率。與常規(guī)變壓器不同的是，非接觸變壓器的磁芯主要用于約束磁通，從而提高磁通耦合能力，但加入磁芯，必然會(huì)使變壓器的重量增加明顯。為此，可直接使用空心變壓器來(lái)傳輸能量[1]。

4 程序設(shè)計(jì)

上電后，智能車啟動(dòng)控制程序，同時(shí)檢測(cè)電池電壓，然后調(diào)用顯示模塊顯示電壓值。檢測(cè)電池電壓是否低于7.5V。如高于7.5V，則繼續(xù)行駛同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)電壓；如低于7.5V，紅燈點(diǎn)亮同時(shí)尋找充電裝置。找到充電裝置后使用程序檢測(cè)并停車，同時(shí)等待充電并檢測(cè)電壓。如果檢測(cè)到電壓高于8.0V，小車重新啟動(dòng)控制程序并繼續(xù)檢測(cè)上述步驟。其軟件流程如圖6所示。

5 結(jié)論

非接觸式充電裝置的優(yōu)勢(shì)在于能夠避免導(dǎo)線裸露、插頭磨損、接觸電火花等危險(xiǎn)，而且環(huán)保、能夠減少維護(hù)次數(shù)，這是傳統(tǒng)充電裝置所不具備的。通過(guò)對(duì)非接觸式充電裝置的研究，和對(duì)其傳輸效率的分析，得到了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)中也存在許多困難與挑戰(zhàn)：（1）傳輸距離問(wèn)題，在已有的設(shè)計(jì)方案中，傳輸距離是一個(gè)很大的難題，我們團(tuán)隊(duì)也會(huì)致力于解決這方面的問(wèn)題；（2）自動(dòng)循跡方式，智能汽車的自動(dòng)循跡和可行性也是我們需要解決的問(wèn)題。

［1］張寶群,李香龍.電動(dòng)汽車非接觸式充電研究概況及實(shí)用化分析[J].電子測(cè)量技術(shù),2012,35（3）:1-5.

［2］李廣凱,梁海峰,趙成勇,等.幾種特殊輸電方式的分析比較和展望[J].中國(guó)電力,2004,37(4):46-47.

［3］黃學(xué)良,譚林林,陳中,等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(10):1-8.

［4］劉波,張鵝,李君,等.電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)綜述[J].汽車與配件,2013(32):28-30.

［5］李松林,洪勁松,王秉中.基于電磁感應(yīng)耦合的無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用研究[D].成都:電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院,1686-1688.