基于超級電容的無線充電電動小車設(shè)計

董偉梁

（山東科技大學，濟南 250031）

無線充電擺脫了傳輸線束縛，通過電磁效應進行能量傳輸，提高了充電的安全性，目前常用的無線充電原理有磁場共振、電場耦合和電磁感應。超級電容作為一種電化學儲能元件，既具備了充電速度快、能量轉(zhuǎn)換率高、使用壽命長的優(yōu)點，還滿足了電動小車對輕便電源的要求。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計是通過制作一套無線充電裝置為電動小車充電，在充電1分鐘后停止充電，小車立即向前行駛，并且進行行駛距離和爬坡高度測試。為了完成上述要求，將系統(tǒng)設(shè)計為三個基本模塊，分別是無線充電裝置模塊、DC-DC 變換模塊、電機控制模塊。首先由直流穩(wěn)壓電源向無線充電系統(tǒng)的發(fā)射模塊供電，經(jīng)逆變后再利用電磁感應令接收線圈產(chǎn)生電流給電容充電。停止充電后，小車由超級電容供電，經(jīng)繼電器配合TI 公司生產(chǎn)的TPS63020進行DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換，并控制電機啟動，使電動小車完成設(shè)計要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 理論分析與模塊選擇

2.1 無線充電模塊

本設(shè)計的無線充電系統(tǒng)采用電磁感應原理，使用SeeedStudio5V/1A 的無線充電模塊。無線充電模塊由接收部分和發(fā)射部分組成，發(fā)射線圈直徑38mm，高度2.3，接收線圈直徑43mm，高度2.3mm?？蓪⒔邮站€圈及其電路粘于小車尾部，充電時將木工板斜放并與地面呈一定角度，并將小車斜放木工板底部。使用5V 直流穩(wěn)壓電源為發(fā)射模塊通電，經(jīng)發(fā)射端逆變電路，給發(fā)射線圈通以交流電，當電流經(jīng)過發(fā)射線圈時會產(chǎn)生磁場。接收線圈因電磁感應會產(chǎn)生一定的電流，并給超級電容充電，實現(xiàn)電能的無線傳輸[1]。

2.2 超級電容模塊

超級電容是一種電化學儲能裝置，本身原理與普通電容相似，介于電池與普通電容之間，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大電流快速充放電，而且功率密度高，具有使用輕便、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保的優(yōu)點[2]。

放電時間、功率、電壓的升降情況都是影響超級電容選擇的因素。在超級電容供電時，其上輸出電壓會降低，這些降低的電壓一部分由其內(nèi)阻消耗掉了，另一部分則是釋放能量所引起的壓降。在放電時間極短時，內(nèi)阻消耗所造成的壓降較大。而在持續(xù)放電時，電容放電壓降較大?？稍O(shè)初始電壓為U1，最低工作電壓為U2，電容存儲的可供使用的能量為E1=1/2C（U12-U22）。設(shè)U 為工作電壓，I 為工作電流，t 為工作時間，所需要的實際電能為：E2=UIt，使E1=E2，即可計算出電容的容量。

影響所需電容器規(guī)格的因素：a.最高工作電壓；b.工作截止電壓；c.平均放電電流；d.放電時間。

綜合上述參數(shù)計算，決定使用5.5V5F 規(guī)格的超級電容。

2.3 自啟動控制模塊

如果采用單片機控制，操作簡單，但需要供電裝置提供一定的電壓供電。充電1分鐘后儲能裝置輸出電壓不足，難以帶動單片機運行，且由于電動小車無需控制器實現(xiàn)其他復雜功能，經(jīng)過綜合考慮采用繼電器控制小車驅(qū)動電機的開關(guān)，使小車可以在充電1分鐘后自啟動。此方案的優(yōu)點是充電結(jié)束后無需其他電源控制繼電器，盡可能地將電源用于小車驅(qū)動[3]。

2.4 DC-DC 變換模塊

采用基于TPS63020的升降壓DC-DC 電路。TPS63020也是TI公司生產(chǎn)的一種開關(guān)穩(wěn)壓器電路，輸入電壓范圍是1.8V-5.5V，具有過壓保護和過溫保護功能。TPS63020是業(yè)界較小型且較高性能開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器，可銳減板級空間達60%[4]，轉(zhuǎn)換效率可達90%。

3 測試方案與結(jié)果

首先進行充電實驗，對超級電容無線充電1分鐘，使用萬用表記錄測量結(jié)果：

表1 充電電壓記錄

小車及充電系統(tǒng)組裝完成后，利用電源（輸出5V，1A）給制作好的無線充電裝置供電，小車充電1分鐘后，停止供電，小車立即自啟動，開始水平行駛，直至電能消耗到最小，小車停止運動。重復5次操作，記錄數(shù)據(jù)。

表2 水平行駛記錄

再次充電1分鐘，小車爬坡木工板，計量高度。反復5次測驗。改變斜坡角度，再次反復試驗。

表3 爬坡行駛記錄

4 結(jié)束語

經(jīng)過多次充電測試和木工板爬坡測試，超級電容充電1分鐘電壓基本平穩(wěn)，小車表現(xiàn)穩(wěn)定，初步證明了設(shè)計的可行性。