基于超級電容儲能的無線充電小車

楊風霞 翟朋輝 周浩天

摘 要：本設計利用無線充電技術，將直流穩壓電源的能量傳遞給超級電容，利用超級電容儲存的電能驅動小車，并通過改進機械結構，優化了小車的爬坡性能。本設計實現了定時一分鐘無線充電，一分鐘后，小車檢測到充電完成后自啟動，完成前行或爬坡的功能。

關鍵詞：無線充電；超級電容；自啟動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.125

無線充電主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞。很多學者一直致力于研究無線充電技術以及其在電動汽車中的應用。重慶大學的孫躍團隊成功實現了80米范圍內以52%效率無線傳輸的60W電能[1]。王換民對駐車無線充電補償網絡輸出特性進行了理論研究和實驗分析[2]。溫超提出并設計了基于磁耦合共振原理的新能源汽車無線充電系統[3]。傳統的小車充電多采用拔插式的充電方式[4]，插頭磨損容易導致接觸不良，影響正常使用并產生安全隱患，而采用無線充電方式實現物理隔離，可以很好的改善這一問題。

1 硬件電路設計

1.1 定時模塊

實現定時功能的方法主要有三種，軟件定時、數字電路硬件定時、可編程定時器[5]。

軟件定時常常是通過執行一個程序段，利用每條指令執行需要的時間來完成延時功能，這種定時方式常常不準確。

數字電路硬件定時采用小規模集成電路器件，如用555定時芯片構成定時電路，這種電路的定時時間要靠電路中的元件參數來確定，定時時間不容易改變。

可編程定時器既是硬件定時，又能很容易地通過軟件來確定和改變定時的時間，通過軟件編程就可以滿足不同的定時要求。

綜合三種定時方式比較，采用可編程定時器的方式比較好。因此，本設計的定時模塊采用AT89S51單片機為微控制器，AT89S51單片機內部有兩個16位的定時器，通過編寫程序，可以實現一分鐘定時，滿足要求。利用AT89S51單片機內部的定時器，當一分鐘定時時間到時，通過控制繼電器的通斷來實現每次充電時間限定一分鐘的功能。

1.2 無線傳能模塊

無線傳能部分采用的是基于XKT-510和T3168芯片的無線供電模塊，將5V，1A的直流電通過電磁耦合傳遞能量給兩個22F，2.7V的超級電容儲能。

XKT-412是一種無線充電發射芯片，芯片采用寬電壓自適應控制功能。XKT-412芯片結合極少的外圍電路便可實現無線充電功能。

無線充電接收部分利用T3168芯片接收傳遞來能量信號，利用諧振回路來和發射電路實現共振，從而輸出交流電。另外，接收電路對交流電進行整流，接濾波電路，將電流轉變為平滑的直流電壓，從而輸出直流，給超級電容儲能。

1.3 自啟動模塊

自啟動模塊主要采用3v的繼電器作為自啟動開關，繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的[6]。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會有電流，并產生電磁效應，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點吸合。當線圈斷電后，銜鐵就會返回原來的位置。通過這樣就達到了在電路中的導通、切斷的目的。

在自啟動模塊中，利用繼電器的常閉觸點作為啟動小車的開關。繼電器線圈串聯在無線充電接收器給超級電容充電的回路中。當一分鐘定時時間未到時，超級電容充電，繼電器線圈導通，常閉觸點斷開，小車未啟動；當一分鐘充電時間到時，繼電器線圈失電，常閉觸點導通，超級電容給小車電機供電，小車自啟動。

2 機械結構

為了盡量減少小車的運動阻力，采用塑料材質搭建小車車身，盡量減少小車的質量。另外，將小車底盤做的盡量低，以降低小車的重心，利于小車爬坡。

小車采用的是兩個N20減速電機，減速比1：100。N20減速電機具有較大的扭矩，在小車爬坡的時候，可以提供更大的動力。

3 結語

本設計基于超級電容儲能，利用無線充電技術，實現了定時1分鐘充電，充電1分鐘后，當電動小車檢測到無線充電發射器停止充電時，立即自行啟動，向前水平直線行駛，直至能量耗盡，經測試行駛距離大于1m；充電1分鐘后，電動小車沿傾斜木工板路面直線爬坡行駛，經測試，電動小車可以爬上傾斜角為49度的斜坡1m以上。

參考文獻：

[1]王洋洋.磁耦合諧振式電動汽車無線充電的研究[D].西安理工大學，2018.

[2]王換民.電動汽車無線充電補償網絡輸出特性研究[D].西安理工大學，2017.

[3]溫超.新能源汽車磁耦合共振式無線充電系統研究[D].青島大學，

2017.

[4]趙天舒.機器人無線充電電路設計[J].電子測試，2019（01）：66-67.

[5]徐春輝，陳忠斌，章海亮.單片微型計算機原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2017：175.

[6]潘海鵬，張益波.電氣控制系統與S7-200系列PLC[M].北京：機械工業出版社，2014：7-8.

作者簡介：楊風霞（1996-），女，山東人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。