基于超级电容的无线充电电动小车设计

董伟梁

（山东科技大学，济南 250031）

无线充电摆脱了传输线束缚，通过电磁效应进行能量传输，提高了充电的安全性，目前常用的无线充电原理有磁场共振、电场耦合和电磁感应。超级电容作为一种电化学储能元件，既具备了充电速度快、能量转换率高、使用寿命长的优点，还满足了电动小车对轻便电源的要求。

1 总体设计

本设计是通过制作一套无线充电装置为电动小车充电，在充电1分钟后停止充电，小车立即向前行驶，并且进行行驶距离和爬坡高度测试。为了完成上述要求，将系统设计为三个基本模块，分别是无线充电装置模块、DC-DC 变换模块、电机控制模块。首先由直流稳压电源向无线充电系统的发射模块供电，经逆变后再利用电磁感应令接收线圈产生电流给电容充电。停止充电后，小车由超级电容供电，经继电器配合TI 公司生产的TPS63020进行DC-DC 降压转换，并控制电机启动，使电动小车完成设计要求。系统结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 理论分析与模块选择

2.1 无线充电模块

本设计的无线充电系统采用电磁感应原理，使用SeeedStudio5V/1A 的无线充电模块。无线充电模块由接收部分和发射部分组成，发射线圈直径38mm，高度2.3，接收线圈直径43mm，高度2.3mm。可将接收线圈及其电路粘于小车尾部，充电时将木工板斜放并与地面呈一定角度，并将小车斜放木工板底部。使用5V 直流稳压电源为发射模块通电，经发射端逆变电路，给发射线圈通以交流电，当电流经过发射线圈时会产生磁场。接收线圈因电磁感应会产生一定的电流，并给超级电容充电，实现电能的无线传输[1]。

2.2 超级电容模块

超级电容是一种电化学储能装置，本身原理与普通电容相似，介于电池与普通电容之间，不仅能够实现大电流快速充放电，而且功率密度高，具有使用轻便、循环寿命长、绿色环保的优点[2]。

放电时间、功率、电压的升降情况都是影响超级电容选择的因素。在超级电容供电时，其上输出电压会降低，这些降低的电压一部分由其内阻消耗掉了，另一部分则是释放能量所引起的压降。在放电时间极短时，内阻消耗所造成的压降较大。而在持续放电时，电容放电压降较大。可设初始电压为U1，最低工作电压为U2，电容存储的可供使用的能量为E1=1/2C（U12-U22）。设U 为工作电压，I 为工作电流，t 为工作时间，所需要的实际电能为：E2=UIt，使E1=E2，即可计算出电容的容量。

影响所需电容器规格的因素：a.最高工作电压；b.工作截止电压；c.平均放电电流；d.放电时间。

综合上述参数计算，决定使用5.5V5F 规格的超级电容。

2.3 自启动控制模块

如果采用单片机控制，操作简单，但需要供电装置提供一定的电压供电。充电1分钟后储能装置输出电压不足，难以带动单片机运行，且由于电动小车无需控制器实现其他复杂功能，经过综合考虑采用继电器控制小车驱动电机的开关，使小车可以在充电1分钟后自启动。此方案的优点是充电结束后无需其他电源控制继电器，尽可能地将电源用于小车驱动[3]。

2.4 DC-DC 变换模块

采用基于TPS63020的升降压DC-DC 电路。TPS63020也是TI公司生产的一种开关稳压器电路，输入电压范围是1.8V-5.5V，具有过压保护和过温保护功能。TPS63020是业界较小型且较高性能开关升降压转换器，可锐减板级空间达60%[4]，转换效率可达90%。

3 测试方案与结果

首先进行充电实验，对超级电容无线充电1分钟，使用万用表记录测量结果：

表1 充电电压记录

小车及充电系统组装完成后，利用电源（输出5V，1A）给制作好的无线充电装置供电，小车充电1分钟后，停止供电，小车立即自启动，开始水平行驶，直至电能消耗到最小，小车停止运动。重复5次操作，记录数据。

表2 水平行驶记录

再次充电1分钟，小车爬坡木工板，计量高度。反复5次测验。改变斜坡角度，再次反复试验。

表3 爬坡行驶记录

4 结束语

经过多次充电测试和木工板爬坡测试，超级电容充电1分钟电压基本平稳，小车表现稳定，初步证明了设计的可行性。