電動汽車無線充電系統的設計與實現

安徽理工大學 何榭宇

利用磁共振技術進行無線電力傳輸(WPT)，這項技術可以讓人從惱人的電線中解脫出來。目前已經進行了不同的研究，并在持續提高無線功率傳輸的效率。研究人員正試圖通過提高傳輸功率來增加發射機和接收機之間的距離。該項目實施了WPT創新，為電動汽車電池充電。在本研究中，對收發電路的距離電平進行了優化，同時檢測了收發電路在不同距離下的不同功率電平。從此以后，從輸入電路到輸出電路的電流和電壓水平的不同，將電能輸送到電池，這完全不需要在電動汽車充電站的發送電路到接收電路之間使用任何導線來計算其輸出效率。最后，討論了在電動汽車中實施無線技術的成本和其他因素。這一實證結果有助于解決在有線技術中出現的幾個問題，如電擊、成本、因電線而產生的麻煩、充電程序等。

1 介紹

在這個科技時代，WPT創新以其智能的使用和便捷而聞名。通過實施該方案，可以解決因接線技術而產生的各種故障，包括觸電、電線故障、充電方式和成本。無線電力傳輸(WPT)技術近年來得到了迅猛的發展。隨著燃油水平的不斷下降，汽車的使用量也日益增加。雖然電動汽車在我們的車輛系統中增加了額外的設施，但有線技術也令人反感，它會因為某些原因導致電擊造成人身傷害，并且成本高。WPT技術可以大大減輕這些因素的影響。因為無線技術比有線技術有優勢，所以電動汽車也會非常受歡迎。更具體地說，WPT意味著電力可以在不使用任何電線的情況下從發射器傳輸到接收器，空氣可以作為傳遞這種力量的媒介。它包括兩個線圈，發送線圈和接收線圈，需要交流電給發射線圈供電，這樣它才能產生磁場，電壓由接收線圈中的磁場產生。該技術一般用于在大氣介質上傳遞數字信息。通常電磁(EM)波被用來通過大氣傳輸電力，使設備供電。在本研究中，框架采用了電磁感應式充電，這種充電方式可以幫助電動汽車的電池在沒有電線的情況下充電，并利用這種電池能量來操作電動汽車。最后介紹了一種新型的無線充電系統，該系統減少了對自然燃料的使用，易于充電，無需布線，降低了成本，并且可以方便的安裝。

2 方法

圖1所示為規劃方法示意圖。初步工作電壓為交流220V，通過降壓變換器降低電壓。然后整流元件將這個交流電變為直流電。555定時器就像一個不穩定的多諧振蕩器，產生一個頻率過高的方波脈沖。由此產生的過多頻率的交流電源被轉移到初級線圈上。二次線圈通過電磁感應獲得這種能量。然后通過整流器將這個電壓轉換成低功率直流。

圖1 系統技術示意圖

3 系統的描述

本文提出的方法電路設計如圖2所示。在電路中使用555定時器作為一個不穩定的多諧振蕩器，這里它產生了一個高頻率的方波，測量的頻率接近55khz。然后通過初級線圈傳輸這個過度頻率的交流電壓。在二次線圈中通過電磁感應無線接收電壓，然后將其整流成低直流電壓，通過升壓轉換器升壓到高直流電壓，足以給電池充電。

圖2 系統電路圖

4 結果與分析

4.1 輸入波形

圖3顯示了使用適配器后的純直流波形。測量輸入電壓為直流5V。一種由整流電路組成的轉換電路，整流電路用于將交流電壓轉換為直流電壓。這里這個交流適配器將交流220v的電壓級別修改為直流5V的電壓級別。圖3顯示了發射機電路的輸入電壓電平。

圖3 輸入直流波形

圖4 555定時器輸出波形

這里用555定時器加一個高頻輸入電壓。因為直流電沒有頻率，所以不可能從發射端無線傳輸直流電到接收端。此外，為了無線傳輸功率，它還要求輸入電平有較高的頻率，這樣接收器就可以通過電磁感應來接收功率。這就是使用555定時器的原因。圖4顯示了使用555定時器后的輸出波形。

圖5 發射線圈輸入波形

利用金屬氧化物半導體場效應晶體管(IRF3205)放大5555定時器的輸出信號，比雙極結晶體管(BJT)具有更快的開關能力。此時，發射線圈輸出電壓為1.43V AC，頻率恒定。該MOSFET用于快速開關，以獲得適當的電壓在發射端，這是需要將功率從發射機線圈到接收線圈。圖5所示為使用IRF3205后的輸入放大波形。

4.2 輸出波形

在無線電力傳輸中，接收電壓的大小與二次線圈感應的磁通大小一致。因此，功率隨時間而變化。圖6顯示了二次側的輸出波形。其中記錄的交流電壓值接近0.78V。

獲得的交流電壓較低，整流器主要是用來將交流電壓轉換為直流電壓，因為電池充電需要直流電源。隨后，升壓變換器將電壓從0.78V放大到4.8V左右，足以給3.7V電池供電，輸出波形如圖7所示。

圖6 二次側輸出波形

圖7 應用升壓變換器后的輸出波形

4.3 輸入和輸出功率與線圈之間距離的關系

表1 線圈間距離與效率的關系

表1顯示了輸入和輸出功率在不同的線圈距離下的關系，二次線圈的輸出功率隨著線圈間距的增大而逐漸下降。

結論：本研究采用感應耦合技術進行無線充電。這里我們根據發射線圈和接收線圈之間的距離來確定效率，在功率和距離之間有一種聯系。在這項研究中，我們能夠通過無線方式給5V DC電池充電。但是我們提出的系統也有一些限制，包括系統執行緩慢，遠程充電還沒有完全實現，它仍然可能比有線充電更慢，效率更低，而且它的效率也低于有線電力傳輸。另外發射和接收線圈之間的混亂可能是由天氣或其他因素干擾引起的。利用磁鍍線磁諧振耦合提高電池充電效率，利用快速充電技術縮短充電時間，這些都是今后可能進行的大量研究工作。同時，減小了發射和接收線圈的尺寸，并分析了該系統在實際應用中的合理性。