一种新型太阳能无线充电桩系统的设计

徐启明 徐永胜

摘要：19世纪末，科学家特斯拉做了无线电传输的实验，在随后的100多年里，无线充电技术随着科学的发展不断创新，无线充电技术在生活中也得到了广泛的应用。但是，目前市场上大多数无线充电桩多设计为采用电网电源进行供电，因此在输电不便的地区，这会大大限制充电桩的运用。鉴于此，设计了一种新型太阳能无线充电桩系统。

关键词：太阳能;无线充电;光电检测

本设计利用太阳能板将太阳能转化为电能，通过一定的电路将不稳定电压转换为恒定的直流电输出，从而可以为无线充电桩的蓄电池进行充电。通过光强度和电压的检测可自动为蓄电池充电和断电。在固定轨迹上行驶的车辆，如果出现电量不足时，车辆可自动行驶到无线充电桩的位置为车辆电池进行充电。

1 设计方案

首先，确定系统的结构设计，使系统达到的技术指标和需要实现的功能来设计合适的系统结构，得到满意的设计图纸;其次，软硬件系统的设计，根据太阳能无线充电桩系统电路设计图纸，完成相应的硬件电路焊接和实物制作，通过KEIL编程软件编写相应控制程序;然后完善系统制作，根据实际的测试结果和运行情况调整系统的设计，改进并且完善系统;最后对整个系统进行检测与调试，并进行整体的测试与评估，使系统的各项指标达到最佳状态。

2 系统硬件设计

（1）能源。本设计采用的20W的单晶太阳能板。电池片采用单晶硅，可工作在40℃～85℃的环境下，工作电流超过1A，使用寿命长达25年。同时采用光合硅能蓄电池对太阳能转换的电能进行储存，该型号的蓄电池容量较大，输出电压电流符合要求。

（2）采光元件。采光元件使用光电传感器，它的工作电压为5V，内置了16位的AD转换器，采集的数字量为0—65535，数字量可以直接输出，不需要进行复杂的计算和校准，灵敏度高，最小可以测量1级勒克斯的亮度，传感器通过IIC通信协议与主控制器传输数据。

（3）检测元件。电压检测元件是根据电阻分压原理来设计的，通过电位器的调节，将输入端口的电压减小5倍，它最大可以测量的电压范围为0—25V，通过内部转换，变为0—5V的模拟信号，电压检测元件使用的10位的AD转换器，因此它的分辨率为0.00489V，精度高，测量误差小。

（4）主控制器。系统通过STM32F103单片机维持系统的运转和数据收发及处理。STM32F103是ARM公司开发的成本低廉、性能极好、功耗极低的单片机系统，它拥有M3的内核。按照不同客户的需求，STM32F103单片机又分为两种，一种是时钟频率为72MHz的高性能产品，一种是可以直接从Flash RAM中执行程序。STM32系列产品性价比极高，它是32位嵌入式系统芯片市场上功耗和成本最低的产品。

3 软件设计

（1）继电器控制设计。对于继电器的自动控制，可以通过编程采用轮询或者中断的方式对单片机的I/O进行控制，通过将I/O口的输出信号发送给继电器进行吸合或断开，从而实现自动充电和断电。

（2）光敏传感器的阈值设计。光敏传感器通过与STM32單片机进行IIC通信，采集的数值在不同的光强下，数值会有相应的数值，通过软件测试，可以确定在清晨和黄昏时候的光强作为设定阈值，如果从低于阈值到超过阈值，认为是清晨，启动充电，反之，则断开充电线路。

（3）电压检测的设计。电压传感器对蓄电池的电压进行模拟信号的采集，通过STM32单片机的ADC通道对所采集的数据进行模拟量转换为数字量。同时，通过对采集的数字量进行数据分析和公式转换，就可以将所得的数字量转化为相应的电压数值。

4 系统测试结果

通过综合测试，系统达到设计预期要求。通过电压电流的检测，系统太阳能板通过稳压电路在太阳光照射下输出稳定电压，电流的大小根据光照的强度不同而变化。系统的无线充电桩在充电模式下稳定输出电压为小车充电。

系统分为自动模式和手动模式两种，在自动模式下，通过光敏元件检测光强，达到设定阈值之上（白天）开启太阳能为充电桩充电回路，而在阈值之下（晚上）关闭太阳能为充电桩充电回路;当检测到小车电量过低时，小车自动行驶到无线充电区域进行充电，充满电时自动断开充电回路。在手动模式下，在系统的上位机可以触屏控制系统各继电器状态，改变系统的工作状态，同时也可以控制小车的启停和充断。

5 结语

本设计综合运用多学科知识，通过系统主控制器，控制各继电器的状态来进行充放电，通过稳压电路稳定电压输出，达到设计要求。使用太阳能电池板作为能源来源，经济、绿色、环保，无线充电也为人们的充电提供了更多便捷。在技术不断创新的今天，未来太阳能无线充电桩一定会拥有较大市场。

参考文献：

[1]郭泓序，李玲.基于超级电容的电动小车动态无线充电系统[J].信息技术与网络安全，2020，39（02）：5761.

[2]毕建忠，叶天国.无线充电技术原理及应用浅析[J].电脑知识与技术，2019，15（27）：219220.