应用于电动自行车的无线电桩设计

胡恒玮 卜崇阳 张翔 龚栩 张智淇

西藏大学 西藏拉萨市 850000

1 提出问题

1.1 有线充电器的弊端

电动自行车的充电方式以有线充电居多，不过电动自行车的有线充电方式存在一定的缺陷，比如充电设备与被充电设备之间的直接接触，所以所有设备一定会有插座、供电线此类结构，因此可能会出现操作上不便利，设备极易出现火花、漏电导致烧毁的现象；而触点也可能过热导致起火，以及电源供应受限等情况。同时如果用户私拉乱接临时线缆、在房间内拉“飞线”给电动自行车充电，电源线遭到破坏而引发火灾。此外电动车充电器和蓄电池尺寸的不符合，或者客户在使用过程中私自更改了电动自行车蓄电池大小或者选用相应型号的充电器，参数尺寸的不相符也会引发危险。

另外，很多人把电动车放置在楼梯口、安全通道等地方充电，发生起火后可能会堵塞道路，也因此非常容易引发人员伤亡。也有人通过公寓电梯将电动自行车送回家中充电，导致电池在电梯狭小且封闭的空间突然起火，造成烧伤窒息甚至造成生命危险。

如此看来，减少有线充电带来的问题迫在眉睫。有线充电造成相关安全事故的最大问题在于插座和充电设备的接口线路。充电器拔插过程中金属疲劳所形成的接触不良极易导致漏电触电或内部电线故障，进而导致自燃事件，而且线路老化、充电器质量参差不齐等也会导致火灾事故。同时携带充电设备，不仅不便，而且长期颠簸会对充电器带来一定损伤，损坏之后倘若回收利用不当，还会污染环境。

1.2 无线电桩的优势

无线充电中充电器与被充电设备无需直接接触，使用方便，环境适应能力强，避免了物理接口，所以不会有接口磨损、火花、漏电等问题，大大增加了充电时的安全系数。同时将无线电桩合理排布，进行适当规划，将减少居民乱停乱放电动自行车的社会现象，提升居民的生活舒适度。

普通的电动车充电设备大多存在充满后无法自行断电、缺乏过载保护措施等缺陷，不仅降低电瓶自身寿命，而且电容器过热，容易导致电流短路引发事故。通过使用无线电桩则可以避免这些问题。

通过电磁感应技术供电于电动自行车，减少电车充电器的使用，有利于保护环境以及使电动自行车充电更便捷。该无线电桩可以实现隐形，而且设备磨损性较小，因此使用更加广泛，而公共充电服务的范围也相应缩小，但是减小的占用区域数量也不能过多。无线电桩的广泛应用，会增加其附近商业的发展，增强经济实力。同时这种新颖的充电方式将会吸引更多的居民使用电动车，减少对汽车的使用，可以保护环境，适当减少对环境的污染。

2 研究背景

目前在国内，尽管无线充电技术还并蓬勃发展，但却早已纷纷在部分大中城市、区域内进行商业运营应用，无线供电系统项目列入了厦门市的第八批“双百计划”项目，这也是无线充电技术项目的第一次走进了福建省和厦门市，也标志着无线供电系统行业正式成为了厦门市高新产业集群的重要一部分。

这几年，电动自行车以其方便、经济、环保等特点成为居民的主要出行工具之一。目前我国自行车年销量超过3000 万辆，社会保有量接近3 亿辆。

然而由于电动自行车电池充电不当引发的灾难次数也逐年递增。全国每年发生约2000 起与电动自行车相关的重大火灾事故，其中80%是在充电时造成。火灾事故造成的人员伤亡和直接损失，已引起全国的高度重视。频发的交通事故，以及巨大的人员伤亡风险等，已经暴露出了电动自行车在停放充电、安全管理等方面面临的一系列难题，为防止这些意外情况，笔者设计出一种应用于电动自行车的无线电桩，可以有效减少电动自行车在充电时发生的意外情况。

3 设计方案

3.1 数据理论的分析

电动自行车的无线充电装置由发射端和接收端两部分组成，接收端会和电动车的电池连接。两边各有一个电感线圈。该无线充电装置相当于将变压器的初次级分开，将发射端设置在充电电桩上，接收端安装在电车上。充电电桩中的AC/DC 变压器将电桩中的交流电转换为直流电，而后利用变频转化器再转化为交流电，发射端线圈将高频交流信号转换成磁场，电动自行车上的接收端线圈在感应到磁场之后再转换成电能，然后通过整流滤波变成直流电供电动自行车电池充电。

图1

电动车普遍使用的充电电压为48V，手机的充电器已经统一为：输出电压为5V、输出电流＞=500mA。通过适当增加电力接收线圈的匝数，提高输出电压，使输出电压达到电动车普遍使用的48V 充电电压。发射端电压若较大，则可以增加发射端的匝数，或是减少接收端的匝数，如此来得到需要的电压。

3.2 无线电桩的设计

图2

通过增加接收端的感应线圈匝数，提高输出电压。假设该装置原本用于手机无线电磁感应充电，输出电压为5V，输出线圈和接收线圈的匝数比为1：1，现提高接收线圈的匝数，将输出线圈和接收线圈的匝数比改为1：5，输出电压为50V，即可为电动车充电。令初始电压为U1，输出电压为U2，输出线圈匝数为n1，接收线圈匝数为n2，公式即为：

图3

上图为输出线圈，由线圈和芯片以及电线组成。延长线约为3.5cm，线圈直径5cm；芯片长宽为3.5cm，其中安装有Type-C 接口和焊线，可以连接在电源上面；接口最厚处达4.45mm，PCBA 最厚处达2.7mm。

图4

上图为接收线圈，也由芯片、线圈以及电线组成。其中芯片长25cm，宽1.7cm；线圈长4.6cm，宽3.6cm，厚为0.35mm，PCB 板厚1.2mm;为表示通电正常，在电线末端连接小灯泡，灯亮即表明装置正常。

3.3 无线电桩的保护措施

为增加无线电桩的安全性，电动自行车充电完毕后芯片会自动切断电源，减少漏电等现象，还可以延长电池寿命。配置防盗锁和防雷装置；同时防水性能到达IP54 等级，以避免风雨等恶劣天气破坏无线电桩。

图5

同时此无线电桩的无线充电发射端控制芯片支持Qi 认证，外围原件少，采用CBB等规格元件，降低产品成本，电路构架简洁，QFN 封装集成度高；支持异物检测（FOD），充电位置有异物，将提示错误；支持变频、定频调占空比，具备过压、过流、过温保护；具有LED 指示工作状态功能。

图6

4 结语

电磁感应是目前技术最为成熟、应用最为普遍的无线充电技术，该无线电桩即通过电磁感应技术，在充电端和用电端各装有线圈，通过感应电动势转移电能，供给电动自行车能量。该装置避免充电设备与电动自行车的接触，减少因金属疲劳引发接触不良而造成漏电导致自燃的情况，一定程度上增大安全性，保障了用户的权益。同时这种新颖的充电方式将会吸引更多的居民使用电动车，减少对汽车的使用，可以保护环境，适当减少对环境的污染、电动自行车乱停乱发的现象，以此造福人类社会。