基于超級電容的無線充電電動小車設計

董偉梁

（山東科技大學，濟南 250031）

無線充電擺脫了傳輸線束縛，通過電磁效應進行能量傳輸，提高了充電的安全性，目前常用的無線充電原理有磁場共振、電場耦合和電磁感應。超級電容作為一種電化學儲能元件，既具備了充電速度快、能量轉換率高、使用壽命長的優點，還滿足了電動小車對輕便電源的要求。

1 總體設計

本設計是通過制作一套無線充電裝置為電動小車充電，在充電1分鐘后停止充電，小車立即向前行駛，并且進行行駛距離和爬坡高度測試。為了完成上述要求，將系統設計為三個基本模塊，分別是無線充電裝置模塊、DC-DC 變換模塊、電機控制模塊。首先由直流穩壓電源向無線充電系統的發射模塊供電，經逆變后再利用電磁感應令接收線圈產生電流給電容充電。停止充電后，小車由超級電容供電，經繼電器配合TI 公司生產的TPS63020進行DC-DC 降壓轉換，并控制電機啟動，使電動小車完成設計要求。系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 理論分析與模塊選擇

2.1 無線充電模塊

本設計的無線充電系統采用電磁感應原理，使用SeeedStudio5V/1A 的無線充電模塊。無線充電模塊由接收部分和發射部分組成，發射線圈直徑38mm，高度2.3，接收線圈直徑43mm，高度2.3mm。可將接收線圈及其電路粘于小車尾部，充電時將木工板斜放并與地面呈一定角度，并將小車斜放木工板底部。使用5V 直流穩壓電源為發射模塊通電，經發射端逆變電路，給發射線圈通以交流電，當電流經過發射線圈時會產生磁場。接收線圈因電磁感應會產生一定的電流，并給超級電容充電，實現電能的無線傳輸[1]。

2.2 超級電容模塊

超級電容是一種電化學儲能裝置，本身原理與普通電容相似，介于電池與普通電容之間，不僅能夠實現大電流快速充放電，而且功率密度高，具有使用輕便、循環壽命長、綠色環保的優點[2]。

放電時間、功率、電壓的升降情況都是影響超級電容選擇的因素。在超級電容供電時，其上輸出電壓會降低，這些降低的電壓一部分由其內阻消耗掉了，另一部分則是釋放能量所引起的壓降。在放電時間極短時，內阻消耗所造成的壓降較大。而在持續放電時，電容放電壓降較大。可設初始電壓為U1，最低工作電壓為U2，電容存儲的可供使用的能量為E1=1/2C（U12-U22）。設U 為工作電壓，I 為工作電流，t 為工作時間，所需要的實際電能為：E2=UIt，使E1=E2，即可計算出電容的容量。

影響所需電容器規格的因素：a.最高工作電壓；b.工作截止電壓；c.平均放電電流；d.放電時間。

綜合上述參數計算，決定使用5.5V5F 規格的超級電容。

2.3 自啟動控制模塊

如果采用單片機控制，操作簡單，但需要供電裝置提供一定的電壓供電。充電1分鐘后儲能裝置輸出電壓不足，難以帶動單片機運行，且由于電動小車無需控制器實現其他復雜功能，經過綜合考慮采用繼電器控制小車驅動電機的開關，使小車可以在充電1分鐘后自啟動。此方案的優點是充電結束后無需其他電源控制繼電器，盡可能地將電源用于小車驅動[3]。

2.4 DC-DC 變換模塊

采用基于TPS63020的升降壓DC-DC 電路。TPS63020也是TI公司生產的一種開關穩壓器電路，輸入電壓范圍是1.8V-5.5V，具有過壓保護和過溫保護功能。TPS63020是業界較小型且較高性能開關升降壓轉換器，可銳減板級空間達60%[4]，轉換效率可達90%。

3 測試方案與結果

首先進行充電實驗，對超級電容無線充電1分鐘，使用萬用表記錄測量結果：

表1 充電電壓記錄

小車及充電系統組裝完成后，利用電源（輸出5V，1A）給制作好的無線充電裝置供電，小車充電1分鐘后，停止供電，小車立即自啟動，開始水平行駛，直至電能消耗到最小，小車停止運動。重復5次操作，記錄數據。

表2 水平行駛記錄

再次充電1分鐘，小車爬坡木工板，計量高度。反復5次測驗。改變斜坡角度，再次反復試驗。

表3 爬坡行駛記錄

4 結束語

經過多次充電測試和木工板爬坡測試，超級電容充電1分鐘電壓基本平穩，小車表現穩定，初步證明了設計的可行性。