一種電磁耦合的動態無線充電小車設計

邵陽學院電氣工程學院 王月利 鄒長春 邱雄邇

本文基于電磁耦合原理設計并制作了動態無線充電小車。以STM32為控制核心，由降壓電路、升壓電路、輔助電源電路、無線充電發射與接收模塊等部分組成。采用恒壓充電方式對電動汽車的超級電容儲能裝置進行充電。經測試，在恒壓充電工作模式下，實現了對超級電容充電電壓的精確控制，其控制誤差低于1%；在同等充電時間下，充電電壓越高，超級電容存儲的電能越多，小車行駛的距離越遠。

隨著社會環保意識的增強，清潔高效的電能將成為未來社會的主要能源。新能源電動汽車作為其中的一種主流應用方式近年來取得了長足進步，但受傳統的充電方式及電池容量限制，導致電動汽車續航短，需要頻繁充電，降低了電動汽車使用體驗。采用無線充電，能良好解決如上問題。無線充電主要是利用電能發送裝置和電能接收裝置進行能量耦合實現能量的傳遞，擺脫了傳輸線的束縛，沒有傳導式充電面臨的接口限制和安全問題。

為了充分利用能源，提高電能轉換效率，使充電過程更加簡便。項目主要設計了一款無線連接充電模式的充電小車，對小車提供動力主要基于超級電容，在定點充電1min后實現長距離行駛和穩定爬坡的效果。

1 系統組成及其工作原理

系統主要分成無線發送裝置與無線接收裝置兩個部分，系統以STM32單片機為核心，搭載降壓壓電路、升壓電路、電源輔助電路等模塊，整個無線充電系統組成框圖如圖1所示。系統采用5V/1A的直流電源作為能量供應裝置，模擬電動汽車充電樁的電力來源，經升壓電路后給超級電容進行儲能，同時經由全橋逆變電路與線圈構成的無線發射裝置，對應的無線接收模塊端的線圈與其產生諧振，接收發射端傳輸過來的電能，該交流電能需經整流濾波電路后變成穩定的直流，通過降壓電路后作為小車的電源，TI控制器用于控制整個升降壓電路的恒壓恒流輸出及小車的行駛速度、方向等。

2 硬件電路設計

2.1 升壓電路設計

升壓電路原理圖如圖2所示。該電路主要由電感L1串聯開關二極管VT1和整流二極管D1，再并聯濾波電容C1，并聯電阻R分擔流過濾波電容C1的電流，防止電容被擊穿，輸入PWM波信號控制開關二極管VT1的通斷，實現DC-DC升壓功能，即輸出直流電壓高于輸入直流電壓。

圖1 無線充電系統組成框圖

圖2 升壓電路原理圖

電感L能夠產生自感電動勢，有著儲能的作用，是一種重要的儲能元件。

濾波電容的主要功能是降低交流脈動波紋系數，使電路中電流能夠高效平滑輸出，即濾波作用。在電源整流電路中，濾波電容主要用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。電容的選取主要考慮兩個方面，能夠維持輸出電壓大小和滿足濾波的要求。

綜合實際考慮后，電路中濾波電容的量值最好在5000uF-10000uF內選取。

開關管有截止和導通兩種狀態，要求有較高的開關速度，較高的擊穿電壓，同時又要滿足輸出電路的要求，本設計的PWM波的頻率為20KHz，輸出電流在1～2A，綜合實際考濾選用：IRF540。

2.2 降壓電路設計

降壓電路把輸入的直流電壓轉換為脈沖電壓，再對對該脈沖電壓進行LC濾波，使輸出直流電壓脈動更小、更穩定。晶體管VT1是電路中的開關管，由PWM波控制該開關管的通斷狀態，與后續電路結合，實現降壓功能。該電路中由電感L與電容C組成低通濾波器，VD1為電路中的續流二極管，起續流作用，降壓電路的原理結構如圖3所示。

圖3中電感線圈L應選取最大電流不超過3A的環形電感，最小電感值為450uH。

濾波電容有抑制輸出紋波和儲能穩壓的作用，根據實際需要可選用470uF～1000uF的鋁電解電容。開關管的選擇與升壓電路一樣，選用IRF9540。

圖3 降壓電路原理圖

圖4 無線充電發射電路圖

圖5 無線充電接收電路圖

2.3 無線充電電路設計

無線傳能部分采用基于XKT-510和T3168芯片，將直流電通過電磁耦合傳遞能量給電容儲能，電路如圖4所示。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能供。無線充電接受部分利用T3168芯片接受傳遞能量，利用諧振回路來和發射電路實現共振，從而輸出交流電。接受電路對交流電進行整流，蒸餾濾波電路將電流轉換為平滑的滯留電壓，從而輸出直流電，給超級電容儲能。

2.4 電源電路設計

輔助電源電路是主控電路的重要組成部分，它要為主控電路的各部分模塊進行供電，它的穩定性是至關重要的，若供電不足或供電電壓不穩定，會直接影響控制信號的處理與輸出。論文采用基于隔離變壓器與集成穩壓芯片設計輔助電源，能夠穩定輸出±5V和±12V電壓，滿足各模塊的供電需求，實現電路如圖6所示。

3 軟件設計

系統主程序流程如圖7所示，升壓中斷服務程序如圖8所示，降壓中斷服務程序如圖9所示。

4 系統測試

通過調整無線充電的發射和接收的線圈距離來提高充電速度與效率，通過多次實驗驗證兩個線圈距離在2.5cm左右，用5V的直流穩壓電源供電，輸出電流不大于1A，用boost升壓電路5v進行升壓，分別運用恒壓模式對超級電容進行充電，經過測試驗證恒壓充電的精確性。小車實物模型即如圖10所示。

小車超級電容定時充電1min后行駛距離測試：當超級電容充好電給小車供電，小車從A點出發小車檢測到發射線圈停止工作后自行起動，沿引導線朝著B點行駛，直至自動停車，記錄行駛距離。

圖6 輔助電源電路原理圖

圖7 系統主程序流程

圖8 升壓子程序流程圖

圖9 降壓子程序流程圖

圖10 電動小車實物圖

從表1實驗結果可得，采用恒壓充電模式對電動小車超級電容儲能裝置進行充電的效果良好，控制精度高，隨著充電額定電壓提升，超級電容儲能更多，行駛距離更遠。

表1 不同電壓充電1min后行駛距離測試

結論：本文基于STM32單片機設計并制作了電動小車無線充電，采用5V直流穩壓電源供電，模擬新能源電動汽車進行無線充電控制，其無線發射裝置安裝在路面下面，線圈接收裝置安裝在小車底盤，使用超級電容進行儲能。經測試，在恒壓充電模式下，系統實現了當電動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，測試結果表面，在恒壓控制模式下，隨著充電電壓的提升，超級電容的能量存儲越多，小車行駛的更遠。