电动小车的无线充电系统的设计与制作

王道平 张蒙 何人杰

摘要：本文设计并实现了超级电容储能的电动小车无线充电系统。利用电磁感应原理，通过无线充电系统对超级电容进行充电，借助于电动小车来进行实验验证。首先通过研究提出了自己的无线充电系统方案，利用Altium Designer軟件设计出各个模块的电路图，并画出PCB板，将各个模块进行焊接，然后进行实验，从而验证方案设计的正确性及可行性。

关键词：电磁感应;无线充电;电动小车

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0148-02

0 引言

随着科学技术的进步，电动汽车已成为人们出行的主要出行工具，随着电动汽车产业的迅速发展，其充电问题也显的日益严重，而无线充电技术的出现能够有效地解决这一问题[1]。在1981年，由法拉第发现的电磁感应现象，是无线充电技术源头;后来尼古拉提出了无线电能传输的设想，被人们誉为“无线电能传输之父”，虽然在当时并没有实现，但是对后人有着一定的启蒙作用[2]。进入21世纪以来，由于人们对无线充电技术研究以及对无线充电的需求，该技术取得了突飞猛进的发展[3]。无线充电技术是世界各国都在加紧研究的核心技术，不仅在电动汽车方面而且在医疗卫生、卫星等领域都有广泛的应用[4]。无线充电技术不仅方便、兼容、安全可靠，而且无直接电气连接，受到广大使用者的喜爱，具有较好的发展前景。

1 总体方案

本文所设计的无线充电系统的结构如图1所示。

由上图1可知，无线充电系统共分为五个模块，分别为充电控制模块、发射模块、接收模块、稳压模块以及超级电容储能模块。充电控制模块主要是控制电能的输送;发射模块和接收模块主要是利用电磁感应式无线充电系统进行电能的传输;超级电容作为储能模块，为小车提供电能;稳压模块主要对超级电容输出的电压进行稳压然后对马达进行供电。

1.1 充电控制模块

充电控制模块的主要作用是当超级电容充满电时，能够自动切断电源，对充电系统起到保护作用，从而提高设备的安全性。电路图所示，主要由芯片TP4056控制电路的通断，通过对电路中的电流进行检测，当电路中的电流接近为零时，芯片控制电路断开，然后绿色指示灯变亮，从而给使用者一个信号来说明该电池已经充满电。充电控制模块电路图2所示。

1.2 发射模块

发射模块主要利用芯片XKT-412和硬件电路，将直流电转换为交流电，输入电压的取值范围为5～12V，电流为1A，然后电能通过发射线圈传输到自由空间。芯片XKT-335是高功率输出集成电路，通过利用该芯片将电能最大化的进行传输，从而使电能的利用率提高。发射模块电路图3所示。

1.3 接收模块

接收模块主要利用集成芯片T3168和硬件电路将输出电压控制在5V，电流为500mA，二极管D2的主要功能是将交流电转换为直流电，电容的功用是滤出谐波分量，以免谐波对电子器件造成损坏，从输出端直接给超级电容进行充电。为了获得更多的能量，必须将接收线圈与发射线圈完全重合，才可以提高电能传输效率。接收模块电路图4所示。

随着超级电容的放电过程的进行，超级电容的实际输出电压正在不断的减小，为了获取持续稳定的输出电压给马达供电，故选择DC-DC稳压模块，从而使电动小车的马达获得持续不断稳定电压，不仅电动小车的马达得到了保护，而且能够行驶的距离更远。

1.4 储能模块

由于超级电容的电容量和能量密度较高，因此其存储能量要比普通电容高很多。超级电容具有充电时间短、节约能源、使用寿命长等特点，故本文选择使用超级电容作为储能模块，作为电动小车的供电电源。

本文使用六个耐压值为2.7V的超级电容，将其中的每三个进行串联，然后再进行并联，这样可以得到耐压值为8.1V的电源，满足实验所需。

2 实验结果

本设计制作完成的实物如图5所示。通过对电动小车的无线充电系统测试，能够达到设计指标。

在充电的过程中可以将电压表的两个针头放在储能模块超级电容的两端，这样可以直观的得到储能模块的充电情况;经过一段时间后，会发现充电模块中的绿色灯变亮，这时说明超级电容已经完成了充电，充电控制模块会自动断电，从而对无线充电系统进行保护;此时会发现电压表的示数基本上近乎5V，然后进行平地和爬坡实验。

在实验室选取一段适合的平地，将充电完成的电动小车放置平地上，然后按下开关，让电动小车进行自由运动，观察电动小车的行驶情况。忽略小车重量和材料等因素，当储能模块充满电后，经测量电动小车大致可以运行7米。

电动小车进行爬坡实验主要是检验电动小车的马达以及储能模块的供电能力，本次试验选择25度的坡度，当电动小车完成充电时，将其放在爬坡的最底端，最终电动小车爬行了大概有5米。

从两次实验结果来看，都能够很好的符合预期的效果，从而验证了无线充电系统的可行性。

3 结语

本文设计并实现了一款利用超级电容进行储能的电动小车无线电磁感应式充电系统，实验验证表明，本系统系统安全可靠，具有一定的推广价值。

参考文献

[1] 刘浩.无线充电技术研究及其在电动汽车充电中的应用[D].华北电力大学（北京），2017.

[2] 张广冬，郝昕玉，袁铁军，等.无线充电技术发展综述[J].电子科技，2016（12）：170-172+179.

[3] 杨庆新，张献，李阳.无线电能传输及其应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 孔祥记.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].电子制作，2017（12）：13-15.