基于協(xié)整式無線充電的智能電動(dòng)車系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李明 王龍 劉杰 李必然 黃欣雨

摘 要：本文設(shè)計(jì)的協(xié)整式無線充電的智能電動(dòng)車系統(tǒng)是能夠進(jìn)行無線充電以及支持一個(gè)充電器能夠?qū)Χ鄠€(gè)負(fù)載進(jìn)行充電的無線充電裝置。協(xié)整式無線充電的智能電動(dòng)車系統(tǒng)以AD8217作為一款高壓、高分辨率的分流放大器，LMR23610、LMR14010ADDCR為供電模塊，裝置里的鍵盤/顯示電路，采用串行智能鍵盤顯示制芯片HD7279A，電路簡單、應(yīng)用方便，減少對系統(tǒng)軟硬件資源的占用。最后給出擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行。

關(guān)鍵詞：無線充電；電磁感應(yīng)；電源模塊

一、無線充電智能電動(dòng)車系統(tǒng)研究背景及意義

（1）電動(dòng)汽車和充電設(shè)施之間沒有機(jī)械和電氣連接，避免了傳統(tǒng)導(dǎo)線充電時(shí)頻繁插拔充電接口造成的機(jī)械電氣故障、設(shè)備老化造成的漏電等安全隱患，充電設(shè)施易維護(hù)；

（2）充電設(shè)備安裝在地面下，適應(yīng)惡劣氣候的能力強(qiáng)，不占用地上空間；

（3）用戶體驗(yàn)好，需要充電時(shí)只要將電動(dòng)汽車駛?cè)氚惭b有靜態(tài)無線充電裝置的停車位即可自動(dòng)充電，在動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)下還可以實(shí)現(xiàn)在車輛行進(jìn)中充電。

二、無線充電的智能電動(dòng)車系統(tǒng)工作原理

（一）無線充電模塊設(shè)計(jì)

無線充電原理是電磁感應(yīng)式，電磁感應(yīng)無線充電利用的是電生磁，磁生電的電磁感應(yīng)原理，即“電”與“磁”的相互轉(zhuǎn)化。無線充電還有一種原理是磁場共振，磁場共振是由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量”。在充電線圈通電以后，就會(huì)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。經(jīng)過整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的充電。

根據(jù)無線充電的原理，線圈變化的磁通量越大，對應(yīng)的充電電壓就越高，因此我們采取了大線圈方案。在方案實(shí)施前，對發(fā)射端沒有限制時(shí)，大線圈的功率可以達(dá)到接近100W的功率，對于我們當(dāng)時(shí)60F5串的超級(jí)電容模組9秒就可以沖到11V電壓，而小線圈加上LCC補(bǔ)償方案經(jīng)過嘗試最多也只能沖到60W。在限制發(fā)射端后，大線圈很容易就能達(dá)到50W的充電功率，同時(shí)經(jīng)過LCC補(bǔ)償后能夠提高充電速率。

（二）恒功率電路設(shè)計(jì)

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測量整流完的電路的電壓電流。AD8217作為一款高壓、高分辨率的分流放大器，可以用來檢測電路中的電流電壓，并且能夠直接連接轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，它有著較大的工作范圍、較大的工作溫度范圍。在它的分流電阻上執(zhí)行單向電流測量能夠?qū)崿F(xiàn)電源管理的偏置控制。具體測量原理為：通過高頻電容整流后的直流電，首先通過兩個(gè)電阻分壓送入單片機(jī)的ADC讀取，獲得輸入端的電壓值，然后經(jīng)過AD8217進(jìn)行電流采集，也是通過ADC獲取，得到輸入端的電流值。由P=UI，計(jì)算出接受端的功率P。

控制電流也就相當(dāng)于控制了功率，這樣就組成了所謂的恒功率電路?；贏ltiumDesigner的恒功率充電仿真電路如圖3所示。

（三）電源模塊設(shè)計(jì)

電源分為開關(guān)電源和線性電源，其特點(diǎn)為線性電源成本低、技術(shù)成熟，對電路干擾和噪聲小，但體積大，效率偏低。開關(guān)電源雖然交流紋波稍大，但是其低耗散、廢熱少、效率高（效率可達(dá)90%以上）。電源模塊對于整個(gè)控制系統(tǒng)至關(guān)重要，穩(wěn)定、高效率的電源模塊不僅僅可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，信號(hào)傳輸準(zhǔn)確，也能夠降低電能的損耗。因此，在設(shè)計(jì)電源模塊的時(shí)候選用開關(guān)電源，根據(jù)各個(gè)模塊的電源需求，主要由3.3V和5V兩種電源。同時(shí)，還要考慮超級(jí)電容放電經(jīng)過升壓后高達(dá)12V，需要選擇輸入范圍合適的開關(guān)電源模塊。LMR14010ADDCR供電模塊原理如圖3所示。

圖3.供電模塊原理圖

三、結(jié)束語

利用近場感應(yīng)，由震蕩電路產(chǎn)生交流信號(hào)，經(jīng)波形電路處理后，最后由功率放大器將波形放大，形成交流電，發(fā)射端線圈以交流電推動(dòng)而產(chǎn)生交流電磁場，從而將能量從發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端。通過橋式電路整流和濾波電容濾波成直流電給小車內(nèi)部超級(jí)電容充電，當(dāng)無線充電發(fā)射器停止充電時(shí)，使用繼電器自動(dòng)控制開關(guān)，經(jīng)MT3608DC-DC變換給車模供電，從而實(shí)現(xiàn)無線充電電動(dòng)車模前進(jìn)。

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課題項(xiàng)目：湖北汽車工業(yè)學(xué)院2023年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于協(xié)整式無線充電的智能電動(dòng)車系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”（DC2023095）。