基于協整式無線充電的智能電動車系統研究與設計

李明 王龍 劉杰 李必然 黃欣雨

摘 要：本文設計的協整式無線充電的智能電動車系統是能夠進行無線充電以及支持一個充電器能夠對多個負載進行充電的無線充電裝置。協整式無線充電的智能電動車系統以AD8217作為一款高壓、高分辨率的分流放大器，LMR23610、LMR14010ADDCR為供電模塊，裝置里的鍵盤/顯示電路，采用串行智能鍵盤顯示制芯片HD7279A，電路簡單、應用方便，減少對系統軟硬件資源的占用。最后給出擬實驗的結果。實驗結果表明，該系統設計方案可行。

關鍵詞：無線充電；電磁感應；電源模塊

一、無線充電智能電動車系統研究背景及意義

（1）電動汽車和充電設施之間沒有機械和電氣連接，避免了傳統導線充電時頻繁插拔充電接口造成的機械電氣故障、設備老化造成的漏電等安全隱患，充電設施易維護；

（2）充電設備安裝在地面下，適應惡劣氣候的能力強，不占用地上空間；

（3）用戶體驗好，需要充電時只要將電動汽車駛入安裝有靜態無線充電裝置的停車位即可自動充電，在動態無線充電技術下還可以實現在車輛行進中充電。

二、無線充電的智能電動車系統工作原理

（一）無線充電模塊設計

無線充電原理是電磁感應式，電磁感應無線充電利用的是電生磁，磁生電的電磁感應原理，即“電”與“磁”的相互轉化。無線充電還有一種原理是磁場共振，磁場共振是由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量”。在充電線圈通電以后，就會在接收線圈中產生感應電動勢。經過整流之后，便可以形成可以充電的直流電流。從而實現對設備的充電。

根據無線充電的原理，線圈變化的磁通量越大，對應的充電電壓就越高，因此我們采取了大線圈方案。在方案實施前，對發射端沒有限制時，大線圈的功率可以達到接近100W的功率，對于我們當時60F5串的超級電容模組9秒就可以沖到11V電壓，而小線圈加上LCC補償方案經過嘗試最多也只能沖到60W。在限制發射端后，大線圈很容易就能達到50W的充電功率，同時經過LCC補償后能夠提高充電速率。

（二）恒功率電路設計

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測量整流完的電路的電壓電流。AD8217作為一款高壓、高分辨率的分流放大器，可以用來檢測電路中的電流電壓，并且能夠直接連接轉換器。同時，它有著較大的工作范圍、較大的工作溫度范圍。在它的分流電阻上執行單向電流測量能夠實現電源管理的偏置控制。具體測量原理為：通過高頻電容整流后的直流電，首先通過兩個電阻分壓送入單片機的ADC讀取，獲得輸入端的電壓值，然后經過AD8217進行電流采集，也是通過ADC獲取，得到輸入端的電流值。由P=UI，計算出接受端的功率P。

控制電流也就相當于控制了功率，這樣就組成了所謂的恒功率電路。基于AltiumDesigner的恒功率充電仿真電路如圖3所示。

（三）電源模塊設計

電源分為開關電源和線性電源，其特點為線性電源成本低、技術成熟，對電路干擾和噪聲小，但體積大，效率偏低。開關電源雖然交流紋波稍大，但是其低耗散、廢熱少、效率高（效率可達90%以上）。電源模塊對于整個控制系統至關重要，穩定、高效率的電源模塊不僅僅可以使系統工作穩定，信號傳輸準確，也能夠降低電能的損耗。因此，在設計電源模塊的時候選用開關電源，根據各個模塊的電源需求，主要由3.3V和5V兩種電源。同時，還要考慮超級電容放電經過升壓后高達12V，需要選擇輸入范圍合適的開關電源模塊。LMR14010ADDCR供電模塊原理如圖3所示。

圖3.供電模塊原理圖

三、結束語

利用近場感應，由震蕩電路產生交流信號，經波形電路處理后，最后由功率放大器將波形放大，形成交流電，發射端線圈以交流電推動而產生交流電磁場，從而將能量從發射端轉移到接收端。通過橋式電路整流和濾波電容濾波成直流電給小車內部超級電容充電，當無線充電發射器停止充電時，使用繼電器自動控制開關，經MT3608DC-DC變換給車模供電，從而實現無線充電電動車模前進。

【參考文獻】

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[3]萬雄，彭憶強，鄧鵬毅，等.電動汽車V2G關鍵技術研究綜述[J].汽車實用技術，2020（02）：9-12.

課題項目：湖北汽車工業學院2023年度大學生創新創業訓練計劃項目“基于協整式無線充電的智能電動車系統研究與設計”（DC2023095）。