基于协整式无线充电的智能电动车系统研究与设计

李明 王龙 刘杰 李必然 黄欣雨

摘 要：本文设计的协整式无线充电的智能电动车系统是能够进行无线充电以及支持一个充电器能够对多个负载进行充电的无线充电装置。协整式无线充电的智能电动车系统以AD8217作为一款高压、高分辨率的分流放大器，LMR23610、LMR14010ADDCR为供电模块，装置里的键盘/显示电路，采用串行智能键盘显示制芯片HD7279A，电路简单、应用方便，减少对系统软硬件资源的占用。最后给出拟实验的结果。实验结果表明，该系统设计方案可行。

关键词：无线充电；电磁感应；电源模块

一、无线充电智能电动车系统研究背景及意义

（1）电动汽车和充电设施之间没有机械和电气连接，避免了传统导线充电时频繁插拔充电接口造成的机械电气故障、设备老化造成的漏电等安全隐患，充电设施易维护；

（2）充电设备安装在地面下，适应恶劣气候的能力强，不占用地上空间；

（3）用户体验好，需要充电时只要将电动汽车驶入安装有静态无线充电装置的停车位即可自动充电，在动态无线充电技术下还可以实现在车辆行进中充电。

二、无线充电的智能电动车系统工作原理

（一）无线充电模块设计

无线充电原理是电磁感应式，电磁感应无线充电利用的是电生磁，磁生电的电磁感应原理，即“电”与“磁”的相互转化。无线充电还有一种原理是磁场共振，磁场共振是由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量”。在充电线圈通电以后，就会在接收线圈中产生感应电动势。经过整流之后，便可以形成可以充电的直流电流。从而实现对设备的充电。

根据无线充电的原理，线圈变化的磁通量越大，對应的充电电压就越高，因此我们采取了大线圈方案。在方案实施前，对发射端没有限制时，大线圈的功率可以达到接近100W的功率，对于我们当时60F5串的超级电容模组9秒就可以冲到11V电压，而小线圈加上LCC补偿方案经过尝试最多也只能冲到60W。在限制发射端后，大线圈很容易就能达到50W的充电功率，同时经过LCC补偿后能够提高充电速率。

（二）恒功率电路设计

要使得接收端线圈获得最大功率，还需要测量整流完的电路的电压电流。AD8217作为一款高压、高分辨率的分流放大器，可以用来检测电路中的电流电压，并且能够直接连接转换器。同时，它有着较大的工作范围、较大的工作温度范围。在它的分流电阻上执行单向电流测量能够实现电源管理的偏置控制。具体测量原理为：通过高频电容整流后的直流电，首先通过两个电阻分压送入单片机的ADC读取，获得输入端的电压值，然后经过AD8217进行电流采集，也是通过ADC获取，得到输入端的电流值。由P=UI，计算出接受端的功率P。

控制电流也就相当于控制了功率，这样就组成了所谓的恒功率电路。基于AltiumDesigner的恒功率充电仿真电路如图3所示。

（三）电源模块设计

电源分为开关电源和线性电源，其特点为线性电源成本低、技术成熟，对电路干扰和噪声小，但体积大，效率偏低。开关电源虽然交流纹波稍大，但是其低耗散、废热少、效率高（效率可达90%以上）。电源模块对于整个控制系统至关重要，稳定、高效率的电源模块不仅仅可以使系统工作稳定，信号传输准确，也能够降低电能的损耗。因此，在设计电源模块的时候选用开关电源，根据各个模块的电源需求，主要由3.3V和5V两种电源。同时，还要考虑超级电容放电经过升压后高达12V，需要选择输入范围合适的开关电源模块。LMR14010ADDCR供电模块原理如图3所示。

图3.供电模块原理图

三、结束语

利用近场感应，由震荡电路产生交流信号，经波形电路处理后，最后由功率放大器将波形放大，形成交流电，发射端线圈以交流电推动而产生交流电磁场，从而将能量从发射端转移到接收端。通过桥式电路整流和滤波电容滤波成直流电给小车内部超级电容充电，当无线充电发射器停止充电时，使用继电器自动控制开关，经MT3608DC-DC变换给车模供电，从而实现无线充电电动车模前进。

【参考文献】

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[3]万雄，彭忆强，邓鹏毅，等.电动汽车V2G关键技术研究综述[J].汽车实用技术，2020（02）：9-12.

课题项目：湖北汽车工业学院2023年度大学生创新创业训练计划项目“基于协整式无线充电的智能电动车系统研究与设计”（DC2023095）。