基于超级电容储能的无线充电小车
杨风霞 翟朋辉 周浩天
摘 要：本设计利用无线充电技术，将直流稳压电源的能量传递给超级电容，利用超级电容储存的电能驱动小车，并通过改进机械结构，优化了小车的爬坡性能。本设计实现了定时一分钟无线充电，一分钟后，小车检测到充电完成后自启动，完成前行或爬坡的功能。
关键词：无线充电；超级电容；自启动
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.125
无线充电主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。很多学者一直致力于研究无线充电技术以及其在电动汽车中的应用。重庆大学的孙跃团队成功实现了80米范围内以52%效率无线传输的60W电能[1]。王换民对驻车无线充电补偿网络输出特性进行了理论研究和实验分析[2]。温超提出并设计了基于磁耦合共振原理的新能源汽车无线充电系统[3]。传统的小车充电多采用拔插式的充电方式[4]，插头磨损容易导致接触不良，影响正常使用并产生安全隐患，而采用无线充电方式实现物理隔离，可以很好的改善这一问题。
1 硬件电路设计
1.1 定时模块
实现定时功能的方法主要有三种，软件定时、数字电路硬件定时、可编程定时器[5]。
软件定时常常是通过执行一个程序段，利用每条指令执行需要的时间来完成延时功能，这种定时方式常常不准确。
数字电路硬件定时采用小规模集成电路器件，如用555定时芯片构成定时电路，这种电路的定时时间要靠电路中的元件参数来确定，定时时间不容易改变。
可编程定时器既是硬件定时，又能很容易地通过软件来确定和改变定时的时间，通过软件编程就可以满足不同的定时要求。
综合三种定时方式比较，采用可编程定时器的方式比较好。因此，本设计的定时模块采用AT89S51单片机为微控制器，AT89S51单片机内部有两个16位的定时器，通过编写程序，可以实现一分钟定时，满足要求。利用AT89S51单片机内部的定时器，当一分钟定时时间到时，通过控制继电器的通断来实现每次充电时间限定一分钟的功能。
1.2 无线传能模块
无线传能部分采用的是基于XKT-510和T3168芯片的无线供电模块，将5V，1A的直流电通过电磁耦合传递能量给两个22F，2.7V的超级电容储能。
XKT-412是一种无线充电发射芯片，芯片采用宽电压自适应控制功能。XKT-412芯片結合极少的外围电路便可实现无线充电功能。
无线充电接收部分利用T3168芯片接收传递来能量信号，利用谐振回路来和发射电路实现共振，从而输出交流电。另外，接收电路对交流电进行整流，接滤波电路，将电流转变为平滑的直流电压，从而输出直流，给超级电容储能。
1.3 自启动模块
自启动模块主要采用3v的继电器作为自启动开关，继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的[6]。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会有电流，并产生电磁效应，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，衔铁就会返回原来的位置。通过这样就达到了在电路中的导通、切断的目的。
在自启动模块中，利用继电器的常闭触点作为启动小车的开关。继电器线圈串联在无线充电接收器给超级电容充电的回路中。当一分钟定时时间未到时，超级电容充电，继电器线圈导通，常闭触点断开，小车未启动；当一分钟充电时间到时，继电器线圈失电，常闭触点导通，超级电容给小车电机供电，小车自启动。
2 机械结构
为了尽量减少小车的运动阻力，采用塑料材质搭建小车车身，尽量减少小车的质量。另外，将小车底盘做的尽量低，以降低小车的重心，利于小车爬坡。
小车采用的是两个N20减速电机，减速比1：100。N20减速电机具有较大的扭矩，在小车爬坡的时候，可以提供更大的动力。
3 结语
本设计基于超级电容储能，利用无线充电技术，实现了定时1分钟充电，充电1分钟后，当电动小车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，经测试行驶距离大于1m；充电1分钟后，电动小车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，经测试，电动小车可以爬上倾斜角为49度的斜坡1m以上。
参考文献：
[1]王洋洋.磁耦合谐振式电动汽车无线充电的研究[D].西安理工大学，2018.
[2]王换民.电动汽车无线充电补偿网络输出特性研究[D].西安理工大学，2017.
[3]温超.新能源汽车磁耦合共振式无线充电系统研究[D].青岛大学，
2017.
[4]赵天舒.机器人无线充电电路设计[J].电子测试，2019（01）：66-67.
[5]徐春辉，陈忠斌，章海亮.单片微型计算机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2017：175.
[6]潘海鹏，张益波.电气控制系统与S7-200系列PLC[M].北京：机械工业出版社，2014：7-8.
作者简介：杨风霞（1996-），女，山东人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化。
