基于智能车平台的非接触式充电装置设计

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【摘 要】在此次项目中实现智能小车在电量低于一定值时，通过电磁线引导自动寻找充电目标即非接触式充电装置。此装置能够实现充电效率较大传输，在传输效率达到80%以上的同时，实现充电时的对齐容错能力，即在不是充电装置和车载充电装置在一定范围内对齐（不是完全严格对齐）时仍然能够实现高效率充电。

【关键词】电磁感应;无线充电;传输效率

汽车，作为生活的重要交通工具，数量众多，但利用不可再生能源作为原动力的汽车对环境造成了严重污染。为了保护人类赖以生存的环境，电动汽车便成了解决资源短缺和环境问题的重要途径。在电动汽车日渐被大众所接受的同时，人们对于生活便捷的更高要求，使得电动汽车的充电方式成为当今科技领域研究的重点。非接触式充电装置的效能接收在70%左右，将非接触式充电与智能汽车相结合，实现智能汽车的自动引导行驶，实现了全自动化，适合未来新能源汽车发展的方向[1]。

此次实验我们首先利用电磁车的特性使小车能够寻道行驶，而后对其进行非接触式充电，整体系统流程如图1所示。对此，我们分两部分进行研究，一是小车的寻道方式，二是非接触式充电装置。

1 小车寻道方式设计

小车寻道利用的是电磁线引导的方式，在智能车的车体前方安装电磁感应线圈，由电磁学原理可知，通过比较线圈中产生的感应电动势大小，判断小车相对于导线的位置，进而对小车的位置做出调整，引导小车循径行驶。要使小车能够实现路径识别，主要通过以下模块的配合：电磁传感器模块、芯片模块、电源模块、电机驱动模块、舵机控制模块。

图1 寻道原理图

1.1 电磁传感器模块

智能小车的位置信号由安装在车体前方的电磁传感器采集，利用电磁感应原理将测量量转换成电信号，以此获得道路信息，电路如图2所示。

1.2 芯片模块

信号采集处理以MCF52255单片机为核心，经过AD口进行接收转换后判断小车的位置，用于小车的运动控制决策并控制舵机转向。

图 2

1.3 电源模块

电源电路满足各个模块的输入信号要求，提供适合并且稳定的电源。利用稳压芯片将电源稳成5V，为单片机供电，舵机利用稳压芯片将电源稳成6V供电，而电机则利用H桥式电路驱动。

1.4 电机驱动模块

通过单片机输出的PWM控制，功率放大用来驱动电机，驱动直流电机和伺服电机完成小车的 速度控制和舵机转向控制，电机驱动模块电路如图3所示。

图 3

2 非接触式充电装置

非接触式充电装置在电动汽车上的应用原理主要有3种。电磁感应法：原线圈上通过一定频率的交流电，通过电磁感应在副线圈中产生电流，从而将能量从传输端转移到接收端;微波法：可以接收到返回的微波能量，随负载作出调整的同时能够保持稳定的直流电压，它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间传输电能[2];强磁耦合谐振法：强磁耦合谐振法的原理与电磁感应法基本相同，不同之处在于充电一侧与接收一侧使用相同的共振周波，可将阻抗限制至最低值并使传送距离增大。利用共振的原理，使整个系统达到一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传递[3]。此方法解决了电磁感应法无线充电存在的问题，能够实现磁场的高效率耦合和中等距离能量的高效传递[4]。

图4 电磁感应法充电原理图

2.1 电磁感应法

基于法拉第电磁感应定律即周围变化的磁场将在电路回路中产生感应电流，并通过线圈进行能量耦合，实现能量的传递。通过原副线圈感应产生电流，从而将电能从充电装置发送到接收装置。系统工作时传输端将交流电经全桥整流电路转换成直流电，经过电源模块输出的直流电通过有源晶振逆变换转换成高频交流电供给原线圈，通过两个电感线圈耦合能量，副线圈输出的电流经接收转换电路变成额定电压的直流电给电池充电。

在对无线充电性能参数进行理论分析时，我们发现线圈的形状大小及材料对性能有影响，同时由于原副线圈之间存在间隙，直接影响整个系统的传输效率[5]。电磁感应的原理简单易懂，但容错率不足，随着传输距离的增加，电能的损耗会变得很大，所以适用的传输距离较近。

2.2 整体分析

电池充电过程：当充电电压与电池电压不相等时为电池进行充电;当电池电压与充电电源电压相等时，充电结束[5]。根据电磁感应法来计算传输效率，设计了参数合理的原副线圈。根据毕奥萨伐电磁感应定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P 处产生的磁感应强度B 为■。由此可知，线圈在P点产生的磁场，与线圈的半径R、P点到线圈的距离r均有关。

图5 无线充电原理图

3 测试与分析

测量得出数据：传输距离为2cm、传输功率为120W时传输效率为90%;传输距离为5cm时传输效率为70%。随着原副线圈之间的距离增大，传输功率和传输效率会逐渐降低。可以通过增加原副线圈磁芯正对面积或者使停放在不同位置的车辆都能够达到有效的磁通耦合的方法来提高能量转换效率。与常规变压器不同的是，非接触变压器的磁芯主要用于约束磁通，从而提高磁通耦合能力，但加入磁芯，必然会使变压器的重量增加明显。为此，可直接使用空心变压器来传输能量[1]。

4 程序设计

上电后，智能车启动控制程序，同时检测电池电压，然后调用显示模块显示电压值。检测电池电压是否低于7.5V。如高于7.5V，则继续行驶同时继续检测电压;如低于7.5V，红灯点亮同时寻找充电装置。找到充电装置后使用程序检测并停车，同时等待充电并检测电压。如果检测到电压高于8.0V，小车重新启动控制程序并继续检测上述步骤。其软件流程如图6所示。

图 6

5 结论

非接触式充电装置的优势在于能够避免导线、插头磨损、接触电火花等危险，而且环保、能够减少维护次数，这是传统充电装置所不具备的。通过对非接触式充电装置的研究，和对其传输效率的分析，得到了较为理想的实验结果。当然，在实验中也存在许多困难与挑战：（1）传输距离问题，在已有的设计方案中，传输距离是一个很大的难题，我们团队也会致力于解决这方面的问题;（2）自动循迹方式，智能汽车的自动循迹和可行性也是我们需要解决的问题。

【参考文献】

[1]张宝群，李香龙.电动汽车非接触式充电研究概况及实用化分析[J].电子测量技术， 2012， 35（3）：1-5.

[2]李广凯，梁海峰，赵成勇，等.几种特殊输电方式的分析比较和展望[J].中国电力，2004， 37（4）：46-47.

[3]黄学良，谭林林，陈中，等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：1-8.

[4]刘波，张鹅，李君，等.电动汽车无线充电技术综述[J].汽车与配件，2013（32）：28-30.

[5]李松林，洪劲松，王秉中.基于电磁感应耦合的无线电能传输的应用研究[D].成都：电子科技大学物理电子学院，1686-1688.

基金项目：安徽省大学生创新训练项目（AH201310371071）。