一种新型汽车无线充电装置设计

陈威 程卓 陈鑫

摘 要：本文介绍了一种新型的汽车远距离无线充电装置，以及该装置的基本结构，工作原理和工作特点。具体阐述了该装置的未来前景，以及它在未来工作生活中的重要作用。该装置运用了电磁感应原理，具备安全环保的理念，如能大力推广，必将使新能源车代替燃油汽车引领主导地位，而燃油车辆的减少会成为解决大气污染重要的一环。其次目前大部分的充电汽车都是有线型，若是忘记携带充电设备，将会给我们的出行带来巨大的麻烦，因此该装置不仅安全环保还能给我们的工作生活带来极大的便捷。

关键词：无线充电;电磁感应;环保

1.引言

随着经济和科技领域的双向腾飞发展，无线充电在消费电子领域市场巨大，除运用于智能手机智能手表等可穿戴设备、平板电脑等诸多消费电子终端产品之外，无线充电技术还将用于新能源汽车方面，但是现阶段新能源车相较燃油车单次行驶里程过短、频繁充电和充电桩难找，无线充电技术装置可以解决充电频繁问题，在这一场新革命中占据着重要地位。因此，无线充电技术装置将来有着很大的市场前景。

2.主体设计

2.1设计原理

所谓无线充能就是能够将它种形式的能量转化为电能，以空间作为传递能量的介质，发射无线电能的方式，因此我们就需要设置发射装置，接收装置以及一个超大的电容。需要给电容一些充电时间，因此发射端可以根据STC12CA60S2单片机的原理设计一个内部定时开关，接通电源后单片机内部定时器开始准确的计时，为了能足够充电，可设置倒计时为一分钟，在一分钟倒计时结束之后，发射端的线圈断开连接，停止提供电流。而接受装置需要将接收到的交流电压转化为稳定的直流电压，进而对超大电容进行充电。这样才能够使电机达到自启动的效果。自启动的电路模板可以参考TPC8111，制作自启动电路的核心芯片。如图1所示。

2.2电路设计

谐振网络包括电感，电容和分流电容，与外部电路无能量交换。首先无线电能传输接收端的充电需要直流电，从电网发射出去的电流经过电力电子变换器，同时接收线圈上有整流滤波电路，能够感应到能量，从而将感应的能量直接进行过滤转换，使接收线圈感应的交流电直接转变为直流电，但是整流后的电压可能会超过电容所承受的最大耐压值，因此我们需要使用LM2596降压模块把电压值下降到电容能够承受的范围内。如图2所示。

2.3能源电池

（1）能源电池的选择

从性能考虑，由于锂电池能量比较大，储存能量的密度就比较大，额定功率高，高低温适应能力强，经过工艺上处理，可以在-45°到60°的环境下使用。同时具备到功率的承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速，尤其是它的自放电率极低，这是该电池由于其他电池重要原因之一。

从生态及便捷方面考虑考虑，其使用寿命长，一般可达到六年以上，从而减少替换的次数。其体重轻，优于多数电池的几倍，也符合我们设计的初心。而且生产该电池几乎不消耗水资源，为缺水的地区节约能源，然后绿色环保，不论生产，使用和报废 ，都不含有，也不产生任何有毒有害的重金属元素及物质。

但是锂电池也有不好的地方，它对充电模式的要求比较高，如果操作方式不当，其充电速度，充电效率可能都会减慢，还会导致温度省道寿命缩短，甚至有爆炸的危险。因此我们需要ZigBee无线通信技术给我们一个负反馈调节，能够随时获取锂电池的信息状态。

（2）锂电池的工作原理

智能充电法

智能充电是目前较先进的充电方法，如下图所示，其主要原理是应用du/dt和di/dt控制技术，通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。这类智能方法，一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术，实现系统的自动优化。

脉冲充电

主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压（4.2V）时，进入脉冲充电模式：用1C的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压（4.2V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变長，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

3.生产要求和测试

（1）考虑到充电汽车的性能问题，相同的汽车可能由电带动汽车运行不及燃油带动汽车运行，因此充电汽车的材料应该选取相对轻盈，韧性高，并且还具备一定的坚固性。并且电池必须是大容量加上备用电源，要保证能够有足够的续航能力，足以达到更加便捷的目的。

（2）充电装置应该设置在道路的一侧，其利用电磁耦合的原理，例如变压器利用电磁耦合的原理传递能量，而且需要利用高磁导率的磁芯作为介质，减少磁力线发散到空气中导致传递效率下降。不太适合远距离的供电，因此需要参照公交站或者是加油站设置定点充电，制作充电站的方案。

（3）电路板的焊接问题，一定要焊接点密集，各个焊接点之间不能相连，每个元件的正负极可用万用表进行验证，结束之后，观察是否有毛刺需要处理，检查是否存在虚焊，仔细对照电路板和原理图的电路连接是否一致。

（4）发射线圈和接收线圈大小，形状进行测试，过大会增大小车质量，国小传导效率不高。两者之间的距离测试，太近了会导致充电不便，太远了也会导致效率不高，损耗过量。

（5）对各个接口的检查，同上面检查电路板一样均可使用万用表来测试是否有断路的情况，尤其要检查电源线与底线是否短路，这些的及时处理，以免出现安全隐患。

（6）检查电源电压与该装置的电压大小是否吻合，正负极的连接是否正确。确认正确后连接电源检查各器件引脚电源端是否为符合的电压值，接地端电压值是否为零，尤其是检查无线电能接收端能否接收到发射端传递来的电能信号，并将其转换为稳定的直流电压，自启动装置能否正常运行。

4.结语

无线充电汽车具有节能，便捷等特点，适用于所有需要开车的用户。如果这种汽车能够普及目前的汽车市场对人们的环保意识也是可以肯定的，不仅给与用户一个极佳的体验，而且对我们生存环境的质量大大提升，可能其不足的地方就是在于，其成本及制造复杂度可能会更大，但是我相信这么快的科技发展速到能够很快解决这一问题，所以其有着一定的市场应用和推广价值。

参考文献：

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[6]杨彦彬.基于车轮接收能量的行驶中电动汽车无线充电系统设计[J]制造业自动化，2018.12：第12期.

[7]林欽永.基于腾讯云平台的智慧家居物联网控制系统设计[J]电子测试2020

作者简介：

1.陈威，2000.0915武汉商学院机器人工程专业，武汉新洲人，对机器设计，智能机器编程以及自动化方面有兴趣。

2.程卓，1999.09-武汉商学院机器人工程专业学生，湖北黄冈人，主要兴趣和研究方向有机器人控制、机器人编程。

通讯作者：陈鑫（1988-），男，湖北武汉人，硕士，武汉商学院教师，工程师;主要研究方向：工业机器人系统仿真，视觉识别。

支持项目：武汉商学院2020年大学生创新创业项目，项目号：http：//x-cnki-net.webvpn.wbu.edu.cn：8118/search/common/testlunbo？dbcode=CJFQ&tablename=CJFDAUTO&filename=sjke202007014&filesourcetype=1202011654067，电动汽车无线充电可行性研究

（武汉商学院  湖北  武汉   430056）