具有功率距离自适应功能的无线充电方法及其实现

具有功率距离自适应功能的无线充电方法及其实现1831年，著名英国物理学家迈克尔·法拉第发现电磁感应现象，从此，人类就生生不息地和电能结下了不解之缘。在接下来的一个多世纪乃至现在，电源研究领域的任何一个科技进步都会很大程度地改变生活的方方面面。随着工业技术的发展和人们日常生活需求的提高，各种各样的智能化设备快速融入到生活之中，如电梯、电视机、电冰箱、电脑，手机等等。各种高科技工业产品不仅带给人们许多便利，还在很大程度上象征着一个国家的科技繁荣。由于电能在使用上具有环保、安全、经济和使用方便等优点，这些设备的制造商都选择固定电网中电能作为能量来源，并搭配合适的有线充电器对电网电能进行转换，以适应该用电设备的供电要求。当今世界，科技的发展往往以方便人们的生活习惯为导向，传统的有线充电方式在使用上的局限性日突出，如有线充电中不便于携带，电源规格多和供电线暴露等问题。因此，人们开始对无线充电方式的探索并试图将无线充电方式引入到生活之中。无线充电的基本原理是：能量发送端将电源电流从直流信号转化为交流信号，通过品质因数比较高的线圈，把交流电能存储到线圈附近的磁场中；能量接收端则通过接收线圈从该磁场获取能量，将能量重新转化为电能并供给负载使用。和有线充电方式相比，无线充电技术具有其独特的技术优势。首先，它允许电能收发两端不需要直接接触，为水下作业，植入式体内医疗设备等应用的能量供应提供保障。其次，电线在接入过程中很容易产生电火花，而某些特定的易燃、易爆环境对这是及其敏感的，无线充电的接入仅需充电设备靠近电源即可，避免产生接触火花，消除充电过程中的安全隐患。最后，无线充电技术正在往民用方面蓬勃发展，很多处于领先地位的手机制造商试图改变有线充电的局面，采用无线充电技术来给用户提供方便的用户体验。无线充电系统分为电场耦合、电磁耦合、磁共振耦合和无线电波四类，其中电磁耦合和磁共振耦合的充电特性更适合运用于民用之中，目前，电磁耦合技术研究相对成熟，传输功率在5瓦以内的标准已经制定完成并开始实用化。尽管如此，基于感应式磁耦合的无线充电系统仍然存在着一些缺陷：A）能量收发两端需要严格对齐，即使发送线圈和接收线圈在位置上稍有偏移，接收端的接收功率也将大打折扣，传输范围处于毫米级。B）由于接收端在充电时的安全性和有效性的需要，能量抵达接收端时必须保证在一定功率范围以内，这就对收发两端的距离提出一定的要求，它们在设计上就往往要求接收端在充电时保持在一定相对距离上，而这也大大降低了充电过程中的灵活性。C）目前无线充电器产品仍然没有统一的标准，不同的用电设备仍然必须和与之匹配的充电器一起使用，这在充电便利性上存在的美中不足。针对以上无线充电问题，本系统在无线充电的基础上进行三点改进：（1）采用谐振式磁耦合技术取代感应式耦合，其主要特点是要求收发线圈的电流信号谐振到同一频率下。其传输距离可以超过线圈自身直径，而且，即使收发谐振线圈之间存在一定角度偏移，二者仍能保持较高的功率传输，更满足人们在充电接入时的随意性要求。图1：谐振式磁耦合传输原理（2）使用Royer振荡器来完成谐振频率在距离上的自适应跟踪，对于收发线圈处于过耦合情况下的谐振式磁耦合无线传输系统，其谐振频率会随距离变化发生偏移，从而导致系统传输效率急剧下降。本系统采用Royer振荡器对距离变化时的最佳谐振频率点进行自动跟踪，使系统总能保持在谐振状态，从而维持系统较高的传输效率。（3）引入功率控制模块来实现功率的自适应传输。在实际充电过程中，当不同规格负载接入到充电范围后，发送端根据负载的实际接收功率对发送功率进行实时调节，使接收功率刚好满足充电要求，从而完成同一能量发射端对多种负载的充电支持，增加系统的通用性。系统结构如下所示：电源功率控制自激震荡LC谐振天线负载稳压电路整流滤波LC谐振天线MCUMCU控制磁场监测蓝牙模块供电蓝牙模块监测备用电池供电通信图2：功率距离自适应无线充电系统框图系统工作流程：1.发送端接通电源并进入等待状态，等待附近以充电为目的的负载接入充电；2.接收端蓝牙设备复位并以验证的方式与发送端蓝牙模块配对绑定；3.发送端收到验证信息，如果匹配成功，则向接收端发送配对确认信息，进入充电准备模式；4.接收端收到确认信息后，发送负载的功率需求信息给接收端，进行充电等待；5.发送端根据发送端的功率信息设置最大发送功率，进入充电模式；6.接收端时刻监测实际充电功率和电量，如果充电完成，则发送完成充电信号；如果发送端和接收端的耦合状态发生变化，则根据功率情况向发送端请求增加或减少功率的输送；7.发送端根据接收端的功率请求对发送功率进行调节，如果收到充电完成信号或长时间未收到功率调节请求信号，则复位并重新回到充电等待状态。