邵阳学院电气工程学院 王月利 邹长春 邱雄迩

本文基于电磁耦合原理设计并制作了动态无线充电小车。以STM32为控制核心，由降压电路、升压电路、辅助电源电路、无线充电发射与接收模块等部分组成。采用恒压充电方式对电动汽车的超级电容储能装置进行充电。经测试，在恒压充电工作模式下，实现了对超级电容充电电压的精确控制，其控制误差低于1%；在同等充电时间下，充电电压越高，超级电容存储的电能越多，小车行驶的距离越远。

随着社会环保意识的增强，清洁高效的电能将成为未来社会的主要能源。新能源电动汽车作为其中的一种主流应用方式近年来取得了长足进步，但受传统的充电方式及电池容量限制，导致电动汽车续航短，需要频繁充电，降低了电动汽车使用体验。采用无线充电，能良好解决如上问题。无线充电主要是利用电能发送装置和电能接收装置进行能量耦合实现能量的传递，摆脱了传输线的束缚，没有传导式充电面临的接口限制和安全问题。

为了充分利用能源，提高电能转换效率，使充电过程更加简便。项目主要设计了一款无线连接充电模式的充电小车，对小车提供动力主要基于超级电容，在定点充电1min后实现长距离行驶和稳定爬坡的效果。

1 系统组成及其工作原理

系统主要分成无线发送装置与无线接收装置两个部分，系统以STM32单片机为核心，搭载降压压电路、升压电路、电源辅助电路等模块，整个无线充电系统组成框图如图1所示。系统采用5V/1A的直流电源作为能量供应装置，模拟电动汽车充电桩的电力来源，经升压电路后给超级电容进行储能，同时经由全桥逆变电路与线圈构成的无线发射装置，对应的无线接收模块端的线圈与其产生谐振，接收发射端传输过来的电能，该交流电能需经整流滤波电路后变成稳定的直流，通过降压电路后作为小车的电源，TI控制器用于控制整个升降压电路的恒压恒流输出及小车的行驶速度、方向等。

2 硬件电路设计

2.1 升压电路设计

升压电路原理图如图2所示。该电路主要由电感L1串联开关二极管VT1和整流二极管D1，再并联滤波电容C1，并联电阻R分担流过滤波电容C1的电流，防止电容被击穿，输入PWM波信号控制开关二极管VT1的通断，实现DC-DC升压功能，即输出直流电压高于输入直流电压。

图1 无线充电系统组成框图

图2 升压电路原理图

电感L能够产生自感电动势，有着储能的作用，是一种重要的储能元件。

滤波电容的主要功能是降低交流脉动波纹系数，使电路中电流能够高效平滑输出，即滤波作用。在电源整流电路中，滤波电容主要用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。电容的选取主要考虑两个方面，能够维持输出电压大小和满足滤波的要求。

综合实际考虑后，电路中滤波电容的量值最好在5000uF-10000uF内选取。

开关管有截止和导通两种状态，要求有较高的开关速度，较高的击穿电压，同时又要满足输出电路的要求，本设计的PWM波的频率为20KHz，输出电流在1～2A，综合实际考滤选用：IRF540。

2.2 降压电路设计

降压电路把输入的直流电压转换为脉冲电压，再对对该脉冲电压进行LC滤波，使输出直流电压脉动更小、更稳定。晶体管VT1是电路中的开关管，由PWM波控制该开关管的通断状态，与后续电路结合，实现降压功能。该电路中由电感L与电容C组成低通滤波器，VD1为电路中的续流二极管，起续流作用，降压电路的原理结构如图3所示。

图3中电感线圈L应选取最大电流不超过3A的环形电感，最小电感值为450uH。

滤波电容有抑制输出纹波和储能稳压的作用，根据实际需要可选用470uF～1000uF的铝电解电容。开关管的选择与升压电路一样，选用IRF9540。

图3 降压电路原理图

图4 无线充电发射电路图

图5 无线充电接收电路图

2.3 无线充电电路设计

无线传能部分采用基于XKT-510和T3168芯片，将直流电通过电磁耦合传递能量给电容储能，电路如图4所示。XKT-412是一种无线充电发射芯片，芯片采用宽电压自适应控制功能，XKT-412芯片结合极少的外围电路便可实现无线充电能供。无线充电接受部分利用T3168芯片接受传递能量，利用谐振回路来和发射电路实现共振，从而输出交流电。接受电路对交流电进行整流，蒸馏滤波电路将电流转换为平滑的滞留电压，从而输出直流电，给超级电容储能。

2.4 电源电路设计

辅助电源电路是主控电路的重要组成部分，它要为主控电路的各部分模块进行供电，它的稳定性是至关重要的，若供电不足或供电电压不稳定，会直接影响控制信号的处理与输出。论文采用基于隔离变压器与集成稳压芯片设计辅助电源，能够稳定输出±5V和±12V电压，满足各模块的供电需求，实现电路如图6所示。

3 软件设计

系统主程序流程如图7所示，升压中断服务程序如图8所示，降压中断服务程序如图9所示。

4 系统测试

通过调整无线充电的发射和接收的线圈距离来提高充电速度与效率，通过多次实验验证两个线圈距离在2.5cm左右，用5V的直流稳压电源供电，输出电流不大于1A，用boost升压电路5v进行升压，分别运用恒压模式对超级电容进行充电，经过测试验证恒压充电的精确性。小车实物模型即如图10所示。

小车超级电容定时充电1min后行驶距离测试：当超级电容充好电给小车供电，小车从A点出发小车检测到发射线圈停止工作后自行起动，沿引导线朝着B点行驶，直至自动停车，记录行驶距离。

图6 辅助电源电路原理图

图7 系统主程序流程

图8 升压子程序流程图

图9 降压子程序流程图

图10 电动小车实物图

从表1实验结果可得，采用恒压充电模式对电动小车超级电容储能装置进行充电的效果良好，控制精度高，随着充电额定电压提升，超级电容储能更多，行驶距离更远。

表1 不同电压充电1min后行驶距离测试

结论：本文基于STM32单片机设计并制作了电动小车无线充电，采用5V直流稳压电源供电，模拟新能源电动汽车进行无线充电控制，其无线发射装置安装在路面下面，线圈接收装置安装在小车底盘，使用超级电容进行储能。经测试，在恒压充电模式下，系统实现了当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，测试结果表面，在恒压控制模式下，随着充电电压的提升，超级电容的能量存储越多，小车行驶的更远。