基于超级电容储能的电动小车动态无线充电系统

孙艺铭 蔡抒凝 王博 范佩升 张丽

摘 要：以动态无线充电为研究对象，在理论分析的基础上实现了基于超级电容储能的电动小车动态无线充电系统。该系统以磁耦合共振的方式，将直流电源进行变换，得到交流高频的电，通过LC谐振的发射线圈和接收线圈实现电能传输，经过整流后对超级电容组进行充电。放电时通过Buck-Boost变换为小车提供行驶的动力。实验分析了不同的电容组合和不同的线圈距离对电能传输的关系，最后实验证实了动态无线充电相比于静态充电有着较高的综合系统效率。

关键词：无线充电;动态充电;小车;性能分析;超级电容

1 引言

随着汽车工业的发展，人们也愈加重视因尾气排放造成的环境影响，作为使用清洁能源的代表，电动汽车因绿色，环保等优点逐渐普及开来，国内比亚迪等公司在电动汽车行业的发展上取得了优秀的成绩。无线充电因运输便捷，较低的成本价格，不需要接线的特点引起了众多领域的关注[1]。而超级电容器也因为能量密度大，可快速以极高的电流充放电，具有很长时间的使用年限[2]，在低温工况下的放电性能比传统的Li-ion电池和铅酸电池都要好等特点使其在电动汽车上有着很好的发展前途[3]。在行驶的道路上铺设无线充电的发射线圈，使车辆在运动的过程中进行动态无线充电，提高车辆续航里程。本文用实践作为出发点，在理论分析的基础上建立一个实物系统模型，为电动汽车的电容储能及动态无线充电理论做了初步的探究。

2 系统总体方案

该系统由部分构成，系统框图如图1，分为5V/1A直流稳压电源、MSP430F149 控制器、无线充电发射端、无线充电接收端、超级电容模组、DC/DC 稳压模块、电机驱动模块、直流无刷电机和导航传感器几个部分。

系统关键电路在于无线电源系统（发射端），通过控制器输出的信号使得功率元件输出高频交流信号，然后发生并联谐振。初级线圈通过电磁感应使次级线圈产生电流。原理是利用两个相同频率的振荡电路在其波长的范围内通过近场瞬逝波耦合[4]。这时能量可以通过发射端的线圈高效率的传输给接收端的线圈。通过整流电路为车载的超级电容进行充电，经自适应的Buck-Boost变换电路给小车供电，小车在运动过程中由铺设在地面上的多個充电线圈进行充电，实现小车的动态无线充电。

3 相关参数的选取

3.1 谐振频率

通常来说，谐振频率越高，传输效率也越高，但在实际应用中由于MOSFET的开关频率限制，如果选用过高的频率会在开关元件上的损失掉大量能量，造成传输效率降低，因此频率往往是根据元件参数最先选定的，本设计中设置谐振频率为120kHz。

3.2 线圈电感

线圈的电感值取决于匝数和绕制的精度，器计算公式为：

匝数越多则可以产生越大的磁通量，但导线中存在电阻，因此匝数增加的同时也增大了线圈上的能量损耗。因此，本设计中选取发射线圈电感值为9.6μH，接收线圈电感值为20μH。接收与发射线圈匝数比为3：1。

3.3 谐振补偿电容

在确定了谐振频率和电感大小后由公式可推导出：发射线圈补偿电容值为180nF;接收线圈补偿电容值为86nF，均使用并联补偿。

4 硬件设计与分析

4.1 电路设计

图2（a）为无线发射端的全桥驱动原理图，控制器输出两路互补PWM波至DC-AC的逆变模块上的功率驱动芯片，再由功率驱动元件驱动MOSFET构成的全桥产生高频交流电流通向线圈，接收端通过整流获得直流电用于为车载超级电容充电。

电容充电时电容上的电压高于系统工作电压，但当电容放电至一定程度时的电压又低于系统工作的电压，如果直接使用电容供应的电源会造成芯片的的不正常工作甚至烧毁。因此使用TPS63020电源管理芯片进行稳压，原理图如图2（b），将供电电压恒定在系统的工作电压上，使得控制器能够稳定运行。

4.2 传输距离的优化分析

为选取更合适的传输距离以提升传输效率，进行传输距离与接收端电压关系的测试，得到如表1的输距离与端口电压的关系。

根据测试结果，发射线圈与接收线圈的距离越近，接收端的端口电压也就越高，因此小车上线圈的布置应尽可能的贴近发射线圈。

3.3 超级电容的数量选取分析

超级电容单体的容量为3V/20F，通过资料[5]得知稳压芯片TPS63070可在输入电压为9V-5V区间转换效率可高达95%，通过不同数量的串联电容组合，测量得出充电60秒后的电容组合与充电电压的关系表，如表2。

可以看出，在6个电容串联时充电最高电压可充至9v左右，电源管理芯片对此电压范围的能量转换效率较高。

5 实验及结果分析

在地面上每隔50cm布置一个发射线圈，用于模拟运行过程中小车的动态充电，起点处无线充电发射端充电60s后匀速行驶，实验记录充入的电能和距离，得到如表3 的数据。

从实验数据中可以看出，通过使用电容储能的动态无线充电系统，比静态无线充电情况下的充电效率更高，行驶过程中综合耗电量也小。有效的提升了无线充电的综合系统效率。

6 结语

本文介绍了一种基于超级电容储能的电动小车动态无线充电系统，通过多次实验设计优化设计，达到了系统的高效率电能转换和利用，在性能测试中，小车在动态充电提升续航方面的表现出了较好的结果，在一定范围上为电动汽车无线充电的多元化发展提供了借鉴。

参考文献：

[1]曾庆捷.我国电动汽车充电技术发展趋势探析[J].山西电力，2020（02）：38-40.

[2]李军求，孙逢春，张承宁，李红林.纯电动大客车超级电容器参数匹配与实验[J].电源技术，2004（08）：483-486+507.

[3]邱亮，王晓，陶正华.超级电容储能式有轨电车充电装置输出过电压分析及保护[J].城市轨道交通研究，2020，23（01）：72-74.

[4]程时杰，陈小良，王军华，文劲宇，黎静华.无线输电关键技术及其应用[J].电工技术学报，2015，30（19）：68-84.

[5]Texas Instruments. TPS63070 2-V to 16-V Buck-Boost Converter With 3.6-A Switch Current datasheet [EB/OL]. https：//www.ti.com/product/TPS63070，2019-9-4.