數控超級電容無線充電系統研究與設計

李銳 王龍 劉杰 郭楊洋 李銀政 蘇龍飛

摘 要：數控超級電容無線充電系統是一種利用磁諧振原理，通過高頻逆變電路和諧振網絡，將電能無線傳輸給超級電容器的系統。這種系統具有充電速度快、功率密度高、壽命長、綠色環保等優點，可以應用于微型設備、智能穿戴、機器人等領域。數控超級電容無線充電系統的立項的必要性在于，它可以解決傳統有線充電方式存在的接觸不良、易損壞、不方便等問題，提高充電效率和安全性，同時也可以推動無線充電技術的發展和創新。

關鍵詞：超級電容；無線充電；磁諧振

一、研究目的及意義

數控超級電容無線充電系統是一種利用無線充電模塊為超級電容組提供電能的系統。超級電容是一種新型的電化學元件，具有充電速度快、功率密度高、壽命長等優點。無線充電是一種通過電磁感應原理實現能量傳輸的技術。數控超級電容無線充電系統可以實現對移動設備的動態充電，提高設備的使用效率和壽命。電子設備無線充電的意義在于，它可以提供一種更方便、安全、通用的充電方式，減少對有線充電器和電源線的依賴，同時也可以保護設備的充電接口，延長設備的使用壽命。

數控超級電容無線充電系統的立項的內容主要包括以下幾個方面：

測試和評估數控超級電容無線充電系統的性能，包括充放電時間、能量傳輸效率、溫升情況、穩定性等指標，并與有線充電方式進行對比分析。

數控超級電容無線充電系統的立項的目標主要有以下幾個：

實現數控超級電容無線充電系統的可行性和可靠性，滿足基本功能要求。實現數控超級電容無線充電系統的高效性和節能性。

二、數控超級電容無線充電系統原理簡介

無線充電系統主要利用電磁感應原理。電磁感應方案就是利用變壓器原理，次級線圈的感應來實通過初、現電能的傳輸。基于這種方式的無線電能傳輸系統主要有三大部分組成，即能量發送端、無接觸變壓器.能量接收端。當發送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質中形成一個交變磁場，接收線圈中產生的感應電動勢可供電給移動設備或者給電池充電。這種方案的特點是能量接收端和次級線圈相連，可靈活移動，電路簡單，易于實現，可用于距離要求不高但又不需要機械和電氣連接的場合。。

三、數控超級電容無線充電系統設計

（一）系統整體框架設計

無線充電系統由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發射、接收線圈和高頻整流濾波電路5部分組成，系統框架如下圖（1）所示，最后給可充電電池充電。從無線電路傳輸的原理上看，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。如圖1所示。

（二）恒功率電路設計

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測量整流完的電路的電壓電流。AD8219是一款高壓、高分辨率分流放大器。設定增益為60V/V，在整個溫度范圍內的最大增益誤差為±0.3%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉換器接口。AD8219提供從4V到80V的出色輸入共模抑制性能，在分流電阻上執行單向電流測量，通過高頻電容整流后的直流電，通過兩個電阻分壓送入單片機的ADC讀取電壓電流值，由P=UI計算出功率P。

3.3功率LCC功率補償系統設計

對于LCC中的并聯電容Cpp，它的計算公式為：

（1）

可以看到它與頻率的平方成反比，當頻率從95kHz→200kHz，對應的比率r = 2.015 r = 2.015r=2.015，經過換算對應的電容有615，變成615/r2 =138.8nF。

四、結論

數控超級電容無線充電系統具有充電效率高、充電速度快、充電安全性高等優點，可廣泛應用于各種電子設備。本文對數控超級電容無線充電系統進行了研究與設計，探討了其工作原理、系統架構及關鍵技術創新。未來，隨著無線充電技術的不斷成熟，數控超級電容無線充電系統有望成為充電領域的重要發展方向。

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課題項目：湖北汽車工業學院2023年度大學生創新創業訓練計劃項目“數控超級電容無線充電系統研究與設計”（DC2023039）。