應(yīng)用于電動(dòng)自行車的無線電樁設(shè)計(jì)

胡恒瑋 卜崇陽 張翔 龔栩 張智淇

西藏大學(xué) 西藏拉薩市 850000

1 提出問題

1.1 有線充電器的弊端

電動(dòng)自行車的充電方式以有線充電居多，不過電動(dòng)自行車的有線充電方式存在一定的缺陷，比如充電設(shè)備與被充電設(shè)備之間的直接接觸，所以所有設(shè)備一定會(huì)有插座、供電線此類結(jié)構(gòu)，因此可能會(huì)出現(xiàn)操作上不便利，設(shè)備極易出現(xiàn)火花、漏電導(dǎo)致燒毀的現(xiàn)象；而觸點(diǎn)也可能過熱導(dǎo)致起火，以及電源供應(yīng)受限等情況。同時(shí)如果用戶私拉亂接臨時(shí)線纜、在房間內(nèi)拉“飛線”給電動(dòng)自行車充電，電源線遭到破壞而引發(fā)火災(zāi)。此外電動(dòng)車充電器和蓄電池尺寸的不符合，或者客戶在使用過程中私自更改了電動(dòng)自行車蓄電池大小或者選用相應(yīng)型號(hào)的充電器，參數(shù)尺寸的不相符也會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)。

另外，很多人把電動(dòng)車放置在樓梯口、安全通道等地方充電，發(fā)生起火后可能會(huì)堵塞道路，也因此非常容易引發(fā)人員傷亡。也有人通過公寓電梯將電動(dòng)自行車送回家中充電，導(dǎo)致電池在電梯狹小且封閉的空間突然起火，造成燒傷窒息甚至造成生命危險(xiǎn)。

如此看來，減少有線充電帶來的問題迫在眉睫。有線充電造成相關(guān)安全事故的最大問題在于插座和充電設(shè)備的接口線路。充電器拔插過程中金屬疲勞所形成的接觸不良極易導(dǎo)致漏電觸電或內(nèi)部電線故障，進(jìn)而導(dǎo)致自燃事件，而且線路老化、充電器質(zhì)量參差不齊等也會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故。同時(shí)攜帶充電設(shè)備，不僅不便，而且長(zhǎng)期顛簸會(huì)對(duì)充電器帶來一定損傷，損壞之后倘若回收利用不當(dāng)，還會(huì)污染環(huán)境。

1.2 無線電樁的優(yōu)勢(shì)

無線充電中充電器與被充電設(shè)備無需直接接觸，使用方便，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，避免了物理接口，所以不會(huì)有接口磨損、火花、漏電等問題，大大增加了充電時(shí)的安全系數(shù)。同時(shí)將無線電樁合理排布，進(jìn)行適當(dāng)規(guī)劃，將減少居民亂停亂放電動(dòng)自行車的社會(huì)現(xiàn)象，提升居民的生活舒適度。

普通的電動(dòng)車充電設(shè)備大多存在充滿后無法自行斷電、缺乏過載保護(hù)措施等缺陷，不僅降低電瓶自身壽命，而且電容器過熱，容易導(dǎo)致電流短路引發(fā)事故。通過使用無線電樁則可以避免這些問題。

通過電磁感應(yīng)技術(shù)供電于電動(dòng)自行車，減少電車充電器的使用，有利于保護(hù)環(huán)境以及使電動(dòng)自行車充電更便捷。該無線電樁可以實(shí)現(xiàn)隱形，而且設(shè)備磨損性較小，因此使用更加廣泛，而公共充電服務(wù)的范圍也相應(yīng)縮小，但是減小的占用區(qū)域數(shù)量也不能過多。無線電樁的廣泛應(yīng)用，會(huì)增加其附近商業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)力。同時(shí)這種新穎的充電方式將會(huì)吸引更多的居民使用電動(dòng)車，減少對(duì)汽車的使用，可以保護(hù)環(huán)境，適當(dāng)減少對(duì)環(huán)境的污染。

2 研究背景

目前在國(guó)內(nèi)，盡管無線充電技術(shù)還并蓬勃發(fā)展，但卻早已紛紛在部分大中城市、區(qū)域內(nèi)進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)應(yīng)用，無線供電系統(tǒng)項(xiàng)目列入了廈門市的第八批“雙百計(jì)劃”項(xiàng)目，這也是無線充電技術(shù)項(xiàng)目的第一次走進(jìn)了福建省和廈門市，也標(biāo)志著無線供電系統(tǒng)行業(yè)正式成為了廈門市高新產(chǎn)業(yè)集群的重要一部分。

這幾年，電動(dòng)自行車以其方便、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)成為居民的主要出行工具之一。目前我國(guó)自行車年銷量超過3000 萬輛，社會(huì)保有量接近3 億輛。

然而由于電動(dòng)自行車電池充電不當(dāng)引發(fā)的災(zāi)難次數(shù)也逐年遞增。全國(guó)每年發(fā)生約2000 起與電動(dòng)自行車相關(guān)的重大火災(zāi)事故，其中80%是在充電時(shí)造成。火災(zāi)事故造成的人員傷亡和直接損失，已引起全國(guó)的高度重視。頻發(fā)的交通事故，以及巨大的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)等，已經(jīng)暴露出了電動(dòng)自行車在停放充電、安全管理等方面面臨的一系列難題，為防止這些意外情況，筆者設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于電動(dòng)自行車的無線電樁，可以有效減少電動(dòng)自行車在充電時(shí)發(fā)生的意外情況。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 數(shù)據(jù)理論的分析

電動(dòng)自行車的無線充電裝置由發(fā)射端和接收端兩部分組成，接收端會(huì)和電動(dòng)車的電池連接。兩邊各有一個(gè)電感線圈。該無線充電裝置相當(dāng)于將變壓器的初次級(jí)分開，將發(fā)射端設(shè)置在充電電樁上，接收端安裝在電車上。充電電樁中的AC/DC 變壓器將電樁中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而后利用變頻轉(zhuǎn)化器再轉(zhuǎn)化為交流電，發(fā)射端線圈將高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，電動(dòng)自行車上的接收端線圈在感應(yīng)到磁場(chǎng)之后再轉(zhuǎn)換成電能，然后通過整流濾波變成直流電供電動(dòng)自行車電池充電。

圖1

電動(dòng)車普遍使用的充電電壓為48V，手機(jī)的充電器已經(jīng)統(tǒng)一為：輸出電壓為5V、輸出電流＞=500mA。通過適當(dāng)增加電力接收線圈的匝數(shù)，提高輸出電壓，使輸出電壓達(dá)到電動(dòng)車普遍使用的48V 充電電壓。發(fā)射端電壓若較大，則可以增加發(fā)射端的匝數(shù)，或是減少接收端的匝數(shù)，如此來得到需要的電壓。

3.2 無線電樁的設(shè)計(jì)

圖2

通過增加接收端的感應(yīng)線圈匝數(shù)，提高輸出電壓。假設(shè)該裝置原本用于手機(jī)無線電磁感應(yīng)充電，輸出電壓為5V，輸出線圈和接收線圈的匝數(shù)比為1：1，現(xiàn)提高接收線圈的匝數(shù)，將輸出線圈和接收線圈的匝數(shù)比改為1：5，輸出電壓為50V，即可為電動(dòng)車充電。令初始電壓為U1，輸出電壓為U2，輸出線圈匝數(shù)為n1，接收線圈匝數(shù)為n2，公式即為：

圖3

上圖為輸出線圈，由線圈和芯片以及電線組成。延長(zhǎng)線約為3.5cm，線圈直徑5cm；芯片長(zhǎng)寬為3.5cm，其中安裝有Type-C 接口和焊線，可以連接在電源上面；接口最厚處達(dá)4.45mm，PCBA 最厚處達(dá)2.7mm。

圖4

上圖為接收線圈，也由芯片、線圈以及電線組成。其中芯片長(zhǎng)25cm，寬1.7cm；線圈長(zhǎng)4.6cm，寬3.6cm，厚為0.35mm，PCB 板厚1.2mm;為表示通電正常，在電線末端連接小燈泡，燈亮即表明裝置正常。

3.3 無線電樁的保護(hù)措施

為增加無線電樁的安全性，電動(dòng)自行車充電完畢后芯片會(huì)自動(dòng)切斷電源，減少漏電等現(xiàn)象，還可以延長(zhǎng)電池壽命。配置防盜鎖和防雷裝置；同時(shí)防水性能到達(dá)IP54 等級(jí)，以避免風(fēng)雨等惡劣天氣破壞無線電樁。

圖5

同時(shí)此無線電樁的無線充電發(fā)射端控制芯片支持Qi 認(rèn)證，外圍原件少，采用CBB等規(guī)格元件，降低產(chǎn)品成本，電路構(gòu)架簡(jiǎn)潔，QFN 封裝集成度高；支持異物檢測(cè)（FOD），充電位置有異物，將提示錯(cuò)誤；支持變頻、定頻調(diào)占空比，具備過壓、過流、過溫保護(hù)；具有LED 指示工作狀態(tài)功能。

圖6

4 結(jié)語

電磁感應(yīng)是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為普遍的無線充電技術(shù)，該無線電樁即通過電磁感應(yīng)技術(shù)，在充電端和用電端各裝有線圈，通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)移電能，供給電動(dòng)自行車能量。該裝置避免充電設(shè)備與電動(dòng)自行車的接觸，減少因金屬疲勞引發(fā)接觸不良而造成漏電導(dǎo)致自燃的情況，一定程度上增大安全性，保障了用戶的權(quán)益。同時(shí)這種新穎的充電方式將會(huì)吸引更多的居民使用電動(dòng)車，減少對(duì)汽車的使用，可以保護(hù)環(huán)境，適當(dāng)減少對(duì)環(huán)境的污染、電動(dòng)自行車亂停亂發(fā)的現(xiàn)象，以此造福人類社會(huì)。