数控超级电容无线充电系统研究与设计

李锐 王龙 刘杰 郭杨洋 李银政 苏龙飞

摘 要：数控超级电容无线充电系统是一种利用磁谐振原理，通过高频逆变电路和谐振网络，将电能无线传输给超级电容器的系统。这种系统具有充电速度快、功率密度高、寿命长、绿色环保等优点，可以应用于微型设备、智能穿戴、机器人等领域。数控超级电容无线充电系统的立项的必要性在于，它可以解决传统有线充电方式存在的接触不良、易损坏、不方便等问题，提高充电效率和安全性，同时也可以推动无线充电技术的发展和创新。

关键词：超级电容；无线充电；磁谐振

一、研究目的及意义

数控超级电容无线充电系统是一种利用无线充电模块为超级电容组提供电能的系统。超级电容是一种新型的电化学元件，具有充电速度快、功率密度高、寿命长等优点。无线充电是一种通过电磁感应原理实现能量传输的技术。数控超级电容无线充电系统可以实现对移动设备的动态充电，提高设备的使用效率和寿命。电子设备无线充电的意义在于，它可以提供一种更方便、安全、通用的充电方式，减少对有线充电器和电源线的依赖，同时也可以保护设备的充电接口，延长设备的使用寿命。

数控超级电容无线充电系统的立项的内容主要包括以下几个方面：

测试和评估数控超级电容无线充电系统的性能，包括充放电时间、能量传输效率、温升情况、稳定性等指标，并与有线充电方式进行对比分析。

数控超级电容无线充电系统的立项的目标主要有以下几个：

实现数控超级电容无线充电系统的可行性和可靠性，满足基本功能要求。实现数控超级电容无线充电系统的高效性和节能性。

二、数控超级电容无线充电系统原理简介

无线充电系统主要利用电磁感应原理。电磁感应方案就是利用变压器原理，次级线圈的感应来实通过初、现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分组成，即能量发送端、无接触变压器.能量接收端。当发送线圈中通以交变电流，该电流在将在周围介质中形成一个交变磁场，接收线圈中产生的感应电动势可供电给移动设备或者给电池充电。这种方案的特点是能量接收端和次级线圈相连，可灵活移动，电路简单，易于实现，可用于距离要求不高但又不需要机械和电气连接的场合。。

三、数控超级电容无线充电系统设计

（一）系统整体框架设计

无线充电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路5部分组成，系统框架如下图（1）所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。如图1所示。

（二）恒功率电路设计

要使得接收端线圈获得最大功率，还需要测量整流完的电路的电压电流。AD8219是一款高压、高分辨率分流放大器。设定增益为60V/V，在整个温度范围内的最大增益误差为±0.3%。缓冲输出电压可以直接与任何典型转换器接口。AD8219提供从4V到80V的出色输入共模抑制性能，在分流电阻上执行单向电流测量，通过高频电容整流后的直流电，通过两个电阻分压送入单片机的ADC读取电压电流值，由P=UI计算出功率P。

3.3功率LCC功率补偿系统设计

对于LCC中的并联电容Cpp，它的计算公式为：

（1）

可以看到它与频率的平方成反比，当频率从95kHz→200kHz，对应的比率r = 2.015 r = 2.015r=2.015，经过换算对应的电容有615，变成615/r2 =138.8nF。

四、结论

数控超级电容无线充电系统具有充电效率高、充电速度快、充电安全性高等優点，可广泛应用于各种电子设备。本文对数控超级电容无线充电系统进行了研究与设计，探讨了其工作原理、系统架构及关键技术创新。未来，随着无线充电技术的不断成熟，数控超级电容无线充电系统有望成为充电领域的重要发展方向。

【参考文献】

[1] 王玢，王祎冰.无线充电最新技术应用及行业规范发展[J].数字通信界，2021（7）：41-42，58.

[2] 高志强，赵海茹，杨扬.无线充电寻迹小车的设计[J].内燃机与配件，2021（12）：215-217.

[3] 金鑫.AGV 小车无线充电装置的设计[J].黄冈职业技术学院学报，2020，22（4）：114-116.

课题项目：湖北汽车工业学院2023年度大学生创新创业训练计划项目“数控超级电容无线充电系统研究与设计”（DC2023039）。