熊夢龍，宋泉樹，陳海浪，穆 躍，馬成虎，陳興文，劉 燕

(大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600)

1 設計背景

隨著全球環(huán)境污染和能源短缺問題的日益突出，電動汽車由于其使用的能源具有清潔和零排放特點已經(jīng)得到世界各國的廣泛推廣，但是由于受車載電池容量和充電基礎設施不完善等限制，在一定程度上影響其續(xù)航能力和長距離行駛。究其原因主要是目前電動汽車的充電方式屬于靜態(tài)充電，無論是有線的還是無線的模式，其電能輸送端與接收端要相對靜止狀態(tài)，這樣必將由于充電次數(shù)影響其行駛效率。如果采用動態(tài)無線充電技術，就可以實現(xiàn)電動汽車不用停下來充電也可以持續(xù)行駛的設想，特別是對具有城市公交專用道的公交車輛來說無疑是一個利好的技術變革，會大大提高城市公共交通的效率。

基于上述想法，以電動小車為研究對象，通過搭建模擬城市專用公交道行駛環(huán)境，利用電磁耦合和超級電容等電路結構，設計一套基于動態(tài)無線充電系統(tǒng)，對小車在無源條件下的自動行駛性能測試。

2 系統(tǒng)設計原理

電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)結構如圖1所示。小車按照圖中左邊所示的黑色引導線(半徑70cm)行駛，在引導線的 A、B、C、D處設置無線充電裝置的發(fā)射線圈，系統(tǒng)提供1臺1A5V的直流穩(wěn)壓電源作為源動力。其工作原理：首先發(fā)送端的電能變化裝置將直流穩(wěn)壓電源提供的電流電壓經(jīng)過DC-DC變?yōu)橹绷鞲邏?，然后再將高壓直流變換為交變信號，最后通過發(fā)送端線圈發(fā)射；接收端線圈通過磁耦合可以產(chǎn)生與發(fā)送端頻率一致的交流電動勢，接收端通過車載控制器將能量變換成小車所需的電源[1]。

圖1 智能小車動態(tài)無線充電實驗系統(tǒng)結構

為了實現(xiàn)小車動態(tài)無線充電，通過控制相應位置發(fā)送端線圈的開關，從而控制該處的發(fā)送端繞組處于工作狀態(tài)(此時其他位置的發(fā)射端繞組處于關斷狀態(tài))，當小車移動到此處，可以與車上的接收端繞組發(fā)生諧振，此時可以實現(xiàn)無線電能傳輸。本實驗為了驗證充電效率與小車續(xù)航能力之間的關系，故沒有給小車配備可充電源，小車上的動力提供由超級電容的充放電實現(xiàn)?？梢妼嶒炛性O計的重點是無線傳輸耦合和儲能電路設計，因為二者直接影響小車的續(xù)航能力。

3 動態(tài)無線充電系統(tǒng)核心模塊設計

3.1 電磁耦合模塊設計

電磁耦合模塊是動態(tài)無線系統(tǒng)中負責電能非接觸傳輸?shù)暮诵牟考?，通過對發(fā)送端和接收端繞組線圈參數(shù)的合理設計，可以較好的改善充電系統(tǒng)的輸出功率以及傳輸效率。充電系統(tǒng)能否高效穩(wěn)定實現(xiàn)非接觸傳輸是衡量耦合模塊性能優(yōu)劣的重要指標，在設計時盡可能提高發(fā)送和接收線圈的品質因數(shù)、發(fā)送端和接收端諧振電路應選用低損耗的電容器，盡最大限度減少發(fā)送端和接收端耦合電阻。

在實驗系統(tǒng)中，發(fā)送端部分可采用利茲線制作的多個線圈進行并聯(lián)，因為利茲線可減少充電過程的集膚效應和能量損耗。設繞制線圈的利茲線長度為l,導線橫截面面積S，導線的橫截面直徑為a，電阻率為ρ，線圈半徑r、線圈匝數(shù)N、諧振角頻率ω、導磁率μ0。

耦合諧振線圈的直流電阻為：

(1)

耦合諧振線圈的電感值：

(2)

其對應的品質因素為:

(3)

從(3)式可見，品質因數(shù)和線圈的半徑和線圈的匝數(shù)成正比關系，品質因數(shù)會隨著線圈半徑的增大和匝數(shù)的增加而增大[2]。實際設計時可以根據(jù)手頭的線圈材料情況，利用上面的公式具體計算和實際測定完成。

3.2 超級電容器模塊設計

超級電容器是近年來逐步發(fā)展起來的新型儲能器件，其結構是對多個超級電容單體進行串并聯(lián)組合，利用其優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲能性能，以滿足大容量和大功率的場合應用。本實驗系統(tǒng)中由于小車沒有搭載電池，因此其續(xù)航能力及動力來源于超級電容放電過程產(chǎn)生的能量。

設E為電容能量，C為電容容量，U為電容電壓，電容的儲能公式為：

E=0.5CU2.

(4)

當電容放電從U1開始到U2結束所釋放出的能量為:

(5)

在此期間維持了t秒的I電流，

U(t)=U1-It/C.

(6)

(7)

經(jīng)積分化簡可求得:

(8)

考慮物理意義，此處選取較大值:

(9)

從(9)式看出，可根據(jù)超級電容的充電電壓U1、小車行駛所需的驅動電機最小電壓U2、電流I、運行時間等參數(shù)來設計超級電容儲能模塊[3]。

3.3 升壓模塊的設計

為了進一步增強電動小車的續(xù)航能力，將升壓電路接入超級電容，以滿足電機長時間工作的需求。升壓模塊采用雙向DC-DC模塊中的升壓部分，相比于純Boost電路，它的優(yōu)點在于二極管兩端并聯(lián)了一個MOS管，自舉回路不會變成低阻回路，解決了電路在小電流時無法滿足D=(V0-V)/V0的線性條件。通過整流和利用TPS63020進行DC-DC升壓為驅動系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，電路如圖2所示。

圖2 升壓模塊電路

3.4 充電線圈路徑循跡模塊

為了實驗測試方便，將發(fā)送端的線圈布局在一個圓上，并用黑線連接便于小車在指定路線上實現(xiàn)動態(tài)無線充電。為了實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)采用的是TCRT5000傳感器，其內(nèi)部集成了一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管，利用對黑白反射輸出狀態(tài)的差異，保證小車循跡運動。其電路如圖3所示。

圖3 紅外循跡模塊設計

4 測試與分析

◆超級電容性能測試：實驗中選用耐壓6.3V、100F的電容，按照2個串聯(lián)、2串1并、2串2并、3串2并四種情況測試，在相同的充電時間內(nèi)，經(jīng)過測試3串2并超級電容組充電后的平均電壓相對穩(wěn)定。

◆電能非接傳輸觸效率測試：實驗中選用發(fā)送端線圈與接收端線圈非接觸距離在5mm、10mm、15mm情況下，在相同充電時間和同一超級電容結構情況下，測試其電能傳輸與儲能情況，經(jīng)過測試距離越近效果越好，但是距離過小影響小車以后越障應用；這里建議給線圈加Mn-Zn磁芯，避免磁場發(fā)散，使更多的磁力線從磁芯通過，提高傳輸效率。

通過實驗系統(tǒng)設計、測試與分析，可實現(xiàn)小車的斷電后自動啟動、超級電容的無線充電以及自動循跡行駛等功能，可達到動態(tài)無線充電原理的演示效果，為以后功能擴展和參數(shù)優(yōu)化設計提供了較好的實驗平臺環(huán)境。