游文皓　湯超龍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州　510642）

智能無線充電公路控制系統(tǒng)的探究性設(shè)計(jì)

游文皓湯超龍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州510642）

目前，全球范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車數(shù)量已然顯現(xiàn)出了激增的態(tài)勢(shì)。由此帶來的汽車充電技術(shù)問題也成為了制約電動(dòng)汽車普及的決定性因素。如何在已有的低壓充電、快速充電的基礎(chǔ)上發(fā)展出更為安全便捷的汽車充電方式，成為電力傳輸?shù)闹匾n題。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外無線充電研究的參考借鑒，提出了公路無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。

智能無線充電公路控制系統(tǒng)探究性設(shè)計(jì)

1　汽車與無線充電

汽車的發(fā)展引起了地球資源的過大消耗。清潔能源的利用成為了世界能源發(fā)展的重要問題。近年來，我國(guó)各部委推行了一系列政策法案支持和鼓勵(lì)新能源汽車的發(fā)展，并取得了一定的成效，然而，汽車充電速度和效率等問題卻嚴(yán)重制約著我國(guó)電力汽車行業(yè)的發(fā)展。如果能夠?qū)o線充電技術(shù)運(yùn)用到電力機(jī)車的充電上來，無疑將解決電動(dòng)汽車在行駛途中充電速度慢、效率低的難題，這將從根本上加速電動(dòng)汽車普及。

2　無線充電技術(shù)原理

無線充電技術(shù)即不需要電纜就能夠?qū)㈦娏M(jìn)行輸送的一項(xiàng)技術(shù)。無線充電技術(shù)根據(jù)無線輸電在空間不同的傳輸距離，有三種基本的傳輸形式：電磁感應(yīng)短程傳輸、電磁耦合共振中程傳輸和微波激光遠(yuǎn)程傳輸。其中，電磁耦合共振式傳輸由于其具有傳輸距離合適、傳輸效率較高的特點(diǎn)，在無線電力傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位。

3　公路無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1電磁線圈的布置

根據(jù)電磁耦合共振電力傳輸技術(shù)的原理，電力傳輸?shù)难b置需要包含兩個(gè)震蕩電路，即兩個(gè)相同頻率的電磁線圈：其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量源相連，它利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)；另外一個(gè)是接收裝置，與電力機(jī)車的發(fā)動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)該接收裝置收到發(fā)射裝置產(chǎn)生的同頻電磁波時(shí)，線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩電流，以此完成電能到磁場(chǎng)再到電能的轉(zhuǎn)換。

3.2汽車位置傳感

在智能公路中埋設(shè)與電動(dòng)汽車相匹配的無線充電線圈。利用電磁感應(yīng)式傳感技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)將行車感應(yīng)信號(hào)感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳至測(cè)控主機(jī)，使測(cè)控主機(jī)能夠及時(shí)準(zhǔn)確開啟、關(guān)閉充電線圈。

3.3測(cè)控主機(jī)的設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)整體示意圖

測(cè)控系統(tǒng)分為智能公路上的單片機(jī)系統(tǒng)（采集終端）和匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的主機(jī)系統(tǒng)（主控終端）。智能公路的狀態(tài)需要回傳回主機(jī)，為了追求鏈路穩(wěn)定，一般使用線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。要求主機(jī)不僅能與智能公路進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)采集回來，同時(shí)也應(yīng)能夠發(fā)送命令控制智能公路如圖1所示。

3.4軟件功能設(shè)計(jì)

主控終端的軟件應(yīng)對(duì)多個(gè)采集終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并能夠?qū)崟r(shí)對(duì)智能公路現(xiàn)在的狀況進(jìn)行判別和分析，并下傳是否進(jìn)行無線充電的指令。同時(shí)，主控終端還應(yīng)依據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)給每一輛車計(jì)算充電耗電量并儲(chǔ)存。采集終端的軟件應(yīng)與主控終端始終保持連接，并能夠滿足以下幾個(gè)條件：（1）將收集到的汽車ID號(hào)回傳主控終端；（2）將傳感器的數(shù)據(jù)回傳主控終端；（3）在主控終端發(fā)出充電開始的信號(hào)時(shí)，采集終端應(yīng)能夠啟動(dòng)電磁線圈，對(duì)附近的電力機(jī)車進(jìn)行充電；（4）測(cè)量該終端用來提供無線充電的電壓電流值，回傳主控終端。

3.5硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車的特殊使用環(huán)境和條件，其無線充電技術(shù)有以下特點(diǎn)：發(fā)射線圈和接收線圈存在位置偏移；車載裝置（接收線圈）必須要小型輕量化；電磁輻射安全問題需要得到得當(dāng)處理；要對(duì)設(shè)備進(jìn)行成本控制。因此，在采用采用共振式作為無線充電方案的基礎(chǔ)上，共振式無線充電系統(tǒng)的發(fā)射電路還應(yīng)設(shè)計(jì)功率放大器和振蕩器和源線圈，考慮到高頻集膚效應(yīng)影響，應(yīng)采用表面光滑且導(dǎo)電性能好的紫銅材質(zhì)，同時(shí)，應(yīng)采用螺旋狀的振蕩器并按照同軸放置原則將其組裝，以確保傳輸效率的最大化。

4　可行性分析

美國(guó)、日本和中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)無線充電的研究已初見成果。其中，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院研制出的無線電能傳輸裝置傳輸效率達(dá)70%。無線電力傳輸是完全有能力實(shí)現(xiàn)的，如何提高其傳輸?shù)男?，使得無線電力傳輸真正能夠?qū)崿F(xiàn)成本控制下的商業(yè)化運(yùn)用是無線充電技術(shù)的關(guān)鍵。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，合理借鑒已有的智能電力控制系統(tǒng)及電磁感應(yīng)等傳感模式，針對(duì)靈敏度測(cè)試、安全測(cè)試以及電力分配系統(tǒng)調(diào)控等重難點(diǎn)問題對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)試驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試，從理論上講，是完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的。重點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)的嚴(yán)密性的把握及操作的簡(jiǎn)化。

5　結(jié)語

智能無線充電公路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，將為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航問題以及電能如何分配問題的解決提供有益借鑒，推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及、減輕城市公路系統(tǒng)的污染，達(dá)到智能分配電能的效果，推進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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