基于超級電容儲能的電動小車動態無線充電系統

孫藝銘 蔡抒凝 王博 范佩升 張麗

摘 要：以動態無線充電為研究對象，在理論分析的基礎上實現了基于超級電容儲能的電動小車動態無線充電系統。該系統以磁耦合共振的方式，將直流電源進行變換，得到交流高頻的電，通過LC諧振的發射線圈和接收線圈實現電能傳輸，經過整流后對超級電容組進行充電。放電時通過Buck-Boost變換為小車提供行駛的動力。實驗分析了不同的電容組合和不同的線圈距離對電能傳輸的關系，最后實驗證實了動態無線充電相比于靜態充電有著較高的綜合系統效率。

關鍵詞：無線充電;動態充電;小車;性能分析;超級電容

1 引言

隨著汽車工業的發展，人們也愈加重視因尾氣排放造成的環境影響，作為使用清潔能源的代表，電動汽車因綠色，環保等優點逐漸普及開來，國內比亞迪等公司在電動汽車行業的發展上取得了優秀的成績。無線充電因運輸便捷，較低的成本價格，不需要接線的特點引起了眾多領域的關注[1]。而超級電容器也因為能量密度大，可快速以極高的電流充放電，具有很長時間的使用年限[2]，在低溫工況下的放電性能比傳統的Li-ion電池和鉛酸電池都要好等特點使其在電動汽車上有著很好的發展前途[3]。在行駛的道路上鋪設無線充電的發射線圈，使車輛在運動的過程中進行動態無線充電，提高車輛續航里程。本文用實踐作為出發點，在理論分析的基礎上建立一個實物系統模型，為電動汽車的電容儲能及動態無線充電理論做了初步的探究。

2 系統總體方案

該系統由部分構成，系統框圖如圖1，分為5V/1A直流穩壓電源、MSP430F149 控制器、無線充電發射端、無線充電接收端、超級電容模組、DC/DC 穩壓模塊、電機驅動模塊、直流無刷電機和導航傳感器幾個部分。

系統關鍵電路在于無線電源系統（發射端），通過控制器輸出的信號使得功率元件輸出高頻交流信號，然后發生并聯諧振。初級線圈通過電磁感應使次級線圈產生電流。原理是利用兩個相同頻率的振蕩電路在其波長的范圍內通過近場瞬逝波耦合[4]。這時能量可以通過發射端的線圈高效率的傳輸給接收端的線圈。通過整流電路為車載的超級電容進行充電，經自適應的Buck-Boost變換電路給小車供電，小車在運動過程中由鋪設在地面上的多個充電線圈進行充電，實現小車的動態無線充電。

3 相關參數的選取

3.1 諧振頻率

通常來說，諧振頻率越高，傳輸效率也越高，但在實際應用中由于MOSFET的開關頻率限制，如果選用過高的頻率會在開關元件上的損失掉大量能量，造成傳輸效率降低，因此頻率往往是根據元件參數最先選定的，本設計中設置諧振頻率為120kHz。

3.2 線圈電感

線圈的電感值取決于匝數和繞制的精度，器計算公式為：

匝數越多則可以產生越大的磁通量，但導線中存在電阻，因此匝數增加的同時也增大了線圈上的能量損耗。因此，本設計中選取發射線圈電感值為9.6μH，接收線圈電感值為20μH。接收與發射線圈匝數比為3：1。

3.3 諧振補償電容

在確定了諧振頻率和電感大小后由公式可推導出：發射線圈補償電容值為180nF;接收線圈補償電容值為86nF，均使用并聯補償。

4 硬件設計與分析

4.1 電路設計

圖2（a）為無線發射端的全橋驅動原理圖，控制器輸出兩路互補PWM波至DC-AC的逆變模塊上的功率驅動芯片，再由功率驅動元件驅動MOSFET構成的全橋產生高頻交流電流通向線圈，接收端通過整流獲得直流電用于為車載超級電容充電。

電容充電時電容上的電壓高于系統工作電壓，但當電容放電至一定程度時的電壓又低于系統工作的電壓，如果直接使用電容供應的電源會造成芯片的的不正常工作甚至燒毀。因此使用TPS63020電源管理芯片進行穩壓，原理圖如圖2（b），將供電電壓恒定在系統的工作電壓上，使得控制器能夠穩定運行。

4.2 傳輸距離的優化分析

為選取更合適的傳輸距離以提升傳輸效率，進行傳輸距離與接收端電壓關系的測試，得到如表1的輸距離與端口電壓的關系。

根據測試結果，發射線圈與接收線圈的距離越近，接收端的端口電壓也就越高，因此小車上線圈的布置應盡可能的貼近發射線圈。

3.3 超級電容的數量選取分析

超級電容單體的容量為3V/20F，通過資料[5]得知穩壓芯片TPS63070可在輸入電壓為9V-5V區間轉換效率可高達95%，通過不同數量的串聯電容組合，測量得出充電60秒后的電容組合與充電電壓的關系表，如表2。

可以看出，在6個電容串聯時充電最高電壓可充至9v左右，電源管理芯片對此電壓范圍的能量轉換效率較高。

5 實驗及結果分析

在地面上每隔50cm布置一個發射線圈，用于模擬運行過程中小車的動態充電，起點處無線充電發射端充電60s后勻速行駛，實驗記錄充入的電能和距離，得到如表3 的數據。

從實驗數據中可以看出，通過使用電容儲能的動態無線充電系統，比靜態無線充電情況下的充電效率更高，行駛過程中綜合耗電量也小。有效的提升了無線充電的綜合系統效率。

6 結語

本文介紹了一種基于超級電容儲能的電動小車動態無線充電系統，通過多次實驗設計優化設計，達到了系統的高效率電能轉換和利用，在性能測試中，小車在動態充電提升續航方面的表現出了較好的結果，在一定范圍上為電動汽車無線充電的多元化發展提供了借鑒。

參考文獻：

[1]曾慶捷.我國電動汽車充電技術發展趨勢探析[J].山西電力，2020（02）：38-40.

[2]李軍求，孫逢春，張承寧，李紅林.純電動大客車超級電容器參數匹配與實驗[J].電源技術，2004（08）：483-486+507.

[3]邱亮，王曉，陶正華.超級電容儲能式有軌電車充電裝置輸出過電壓分析及保護[J].城市軌道交通研究，2020，23（01）：72-74.

[4]程時杰，陳小良，王軍華，文勁宇，黎靜華.無線輸電關鍵技術及其應用[J].電工技術學報，2015，30（19）：68-84.

[5]Texas Instruments. TPS63070 2-V to 16-V Buck-Boost Converter With 3.6-A Switch Current datasheet [EB/OL]. https：//www.ti.com/product/TPS63070，2019-9-4.