熊梦龙，宋泉树，陈海浪，穆 跃，马成虎，陈兴文，刘 燕

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116600)

1 设计背景

随着全球环境污染和能源短缺问题的日益突出，电动汽车由于其使用的能源具有清洁和零排放特点已经得到世界各国的广泛推广，但是由于受车载电池容量和充电基础设施不完善等限制，在一定程度上影响其续航能力和长距离行驶。究其原因主要是目前电动汽车的充电方式属于静态充电，无论是有线的还是无线的模式，其电能输送端与接收端要相对静止状态，这样必将由于充电次数影响其行驶效率。如果采用动态无线充电技术，就可以实现电动汽车不用停下来充电也可以持续行驶的设想，特别是对具有城市公交专用道的公交车辆来说无疑是一个利好的技术变革，会大大提高城市公共交通的效率。

基于上述想法，以电动小车为研究对象，通过搭建模拟城市专用公交道行驶环境，利用电磁耦合和超级电容等电路结构，设计一套基于动态无线充电系统，对小车在无源条件下的自动行驶性能测试。

2 系统设计原理

电动小车动态无线充电系统结构如图1所示。小车按照图中左边所示的黑色引导线(半径70cm)行驶，在引导线的 A、B、C、D处设置无线充电装置的发射线圈，系统提供1台1A5V的直流稳压电源作为源动力。其工作原理：首先发送端的电能变化装置将直流稳压电源提供的电流电压经过DC-DC变为直流高压，然后再将高压直流变换为交变信号，最后通过发送端线圈发射；接收端线圈通过磁耦合可以产生与发送端频率一致的交流电动势，接收端通过车载控制器将能量变换成小车所需的电源[1]。

图1 智能小车动态无线充电实验系统结构

为了实现小车动态无线充电，通过控制相应位置发送端线圈的开关，从而控制该处的发送端绕组处于工作状态(此时其他位置的发射端绕组处于关断状态)，当小车移动到此处，可以与车上的接收端绕组发生谐振，此时可以实现无线电能传输。本实验为了验证充电效率与小车续航能力之间的关系，故没有给小车配备可充电源，小车上的动力提供由超级电容的充放电实现。可见实验中设计的重点是无线传输耦合和储能电路设计，因为二者直接影响小车的续航能力。

3 动态无线充电系统核心模块设计

3.1 电磁耦合模块设计

电磁耦合模块是动态无线系统中负责电能非接触传输的核心部件，通过对发送端和接收端绕组线圈参数的合理设计，可以较好的改善充电系统的输出功率以及传输效率。充电系统能否高效稳定实现非接触传输是衡量耦合模块性能优劣的重要指标，在设计时尽可能提高发送和接收线圈的品质因数、发送端和接收端谐振电路应选用低损耗的电容器，尽最大限度减少发送端和接收端耦合电阻。

在实验系统中，发送端部分可采用利兹线制作的多个线圈进行并联，因为利兹线可减少充电过程的集肤效应和能量损耗。设绕制线圈的利兹线长度为l,导线横截面面积S，导线的横截面直径为a，电阻率为ρ，线圈半径r、线圈匝数N、谐振角频率ω、导磁率μ0。

耦合谐振线圈的直流电阻为：

(1)

耦合谐振线圈的电感值：

(2)

其对应的品质因素为:

(3)

从(3)式可见，品质因数和线圈的半径和线圈的匝数成正比关系，品质因数会随着线圈半径的增大和匝数的增加而增大[2]。实际设计时可以根据手头的线圈材料情况，利用上面的公式具体计算和实际测定完成。

3.2 超级电容器模块设计

超级电容器是近年来逐步发展起来的新型储能器件，其结构是对多个超级电容单体进行串并联组合，利用其优良的脉冲充放电和大容量储能性能，以满足大容量和大功率的场合应用。本实验系统中由于小车没有搭载电池，因此其续航能力及动力来源于超级电容放电过程产生的能量。

设E为电容能量，C为电容容量，U为电容电压，电容的储能公式为：

E=0.5CU2.

(4)

当电容放电从U1开始到U2结束所释放出的能量为:

(5)

在此期间维持了t秒的I电流，

U(t)=U1-It/C.

(6)

(7)

经积分化简可求得:

(8)

考虑物理意义，此处选取较大值:

(9)

从(9)式看出，可根据超级电容的充电电压U1、小车行驶所需的驱动电机最小电压U2、电流I、运行时间等参数来设计超级电容储能模块[3]。

3.3 升压模块的设计

为了进一步增强电动小车的续航能力，将升压电路接入超级电容，以满足电机长时间工作的需求。升压模块采用双向DC-DC模块中的升压部分，相比于纯Boost电路，它的优点在于二极管两端并联了一个MOS管，自举回路不会变成低阻回路，解决了电路在小电流时无法满足D=(V0-V)/V0的线性条件。通过整流和利用TPS63020进行DC-DC升压为驱动系统提供稳定电压，电路如图2所示。

图2 升压模块电路

3.4 充电线圈路径循迹模块

为了实验测试方便，将发送端的线圈布局在一个圆上，并用黑线连接便于小车在指定路线上实现动态无线充电。为了实现这一功能，系统采用的是TCRT5000传感器，其内部集成了一个红外发射管和一个红外接收管，利用对黑白反射输出状态的差异，保证小车循迹运动。其电路如图3所示。

图3 红外循迹模块设计

4 测试与分析

◆超级电容性能测试：实验中选用耐压6.3V、100F的电容，按照2个串联、2串1并、2串2并、3串2并四种情况测试，在相同的充电时间内，经过测试3串2并超级电容组充电后的平均电压相对稳定。

◆电能非接传输触效率测试：实验中选用发送端线圈与接收端线圈非接触距离在5mm、10mm、15mm情况下，在相同充电时间和同一超级电容结构情况下，测试其电能传输与储能情况，经过测试距离越近效果越好，但是距离过小影响小车以后越障应用；这里建议给线圈加Mn-Zn磁芯，避免磁场发散，使更多的磁力线从磁芯通过，提高传输效率。

通过实验系统设计、测试与分析，可实现小车的断电后自动启动、超级电容的无线充电以及自动循迹行驶等功能，可达到动态无线充电原理的演示效果，为以后功能扩展和参数优化设计提供了较好的实验平台环境。