一種智能無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種智能無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)葉先萬;蔣碧波;李躍偉【摘要】針對(duì)目前市場(chǎng)上存在的大部分無線充電系統(tǒng)充電效率低、充電電量可控性差等問題,文章設(shè)計(jì)了一種全新的智能無線充電系統(tǒng);該系統(tǒng)在電池模塊中嵌入電量采集模塊、低功耗主控芯片和2.4G通信模塊,充電模塊中嵌入同樣的主控和通信模塊;充電模塊可通過2.4G無線通信接收電池的實(shí)時(shí)電壓和充電電流等信息，根據(jù)內(nèi)置的智能算法,通過振幅調(diào)制載波功率限制,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)輸出;實(shí)驗(yàn)表明,在有效距離內(nèi),該系統(tǒng)具有較高的充電效率,具體充電情況可根據(jù)電池實(shí)時(shí)電量信息進(jìn)行智能控制,有效地預(yù)防了電池過充和過放等問題;該智能無線充電系統(tǒng)具有低功耗、轉(zhuǎn)換效率高、能夠?qū)Τ浞烹娭悄芄芾淼忍攸c(diǎn),可廣泛應(yīng)用于智能家居、智能醫(yī)療、智能穿戴等領(lǐng)域，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.％Aimingattheproblemoflowchargingefficiencyandpoorcontrollabilityofchargingpowerinmostwirelesschargingsystemsatpresent,anewintelligentwirelesschargingsystemisdesigned.Thesystemisembeddedinthebatterymodule,thepoweracquisitionmodule,thelow-powermasterchipandthe2.4Gcommunicationmodule.Thechargingmoduleisembeddedwiththesamemaincontrolandcommunicationmodule.Thechargingmodulecanreceivethereal-timevoltageandchargingcurrentinformationofthebatterythrough2.4Gwirelesscommunication.Accordingtothebuilt-inintelligentalgorithm,theadaptivedynamicoutputcanberealizedbyamplitudemodulationcarrierpowerlimitation.Experimentsshowthatthesystemhashighchargingefficiencywithintheeffectivedistance,andthespecificchargingcanbeintelligentlycontrolledaccordingtothereal-timebatteryinformation,whicheffectivelypreventsbatteryoverchargeandoverdischarge.Theintelligentwirelesschargingsystemhasthecharacteristicsoflowpowerconsumption,highconversionefficiencyandintelligentmanagementofchargeanddischarge.Itcanbewidelyappliedinsmarthome,intelligentmedicaltreatment,smartwearandotherfields,andhasgoodsocialandeconomicvalue.【期刊名稱】《計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制》年(卷),期】2018(026)006【總頁數(shù)】5頁(P239-243)【關(guān)鍵詞】低功耗;無線充電;無線通信;智能管理【作者】葉先萬;蔣碧波;李躍偉【作者單位】湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,武漢430000;湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,武漢430000;中糧糖業(yè)遼寧有限公司,遼寧營(yíng)口115000【正文語種】中文【中圖分類】TM910.60引言近年來，隨著科技的快速發(fā)展，人們生活水平得到了很大的提高，日常生活日趨智能化。目前大部分電器依舊使用傳統(tǒng)有線充電方式供電，操作繁瑣且存在觸電隱患，針對(duì)此現(xiàn)狀，文章自主設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)換效率高并且可以對(duì)充放電過程進(jìn)行智能管理的無線充電系統(tǒng)。1總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)分為充電設(shè)備和電池設(shè)備兩個(gè)部分。充電源由外部市電接入，經(jīng)過內(nèi)部控制電路連接至發(fā)射線圈，電池設(shè)備接收線圈獲得的能量經(jīng)過內(nèi)部控制電路為鋰電池進(jìn)行充電。兩個(gè)部分的控制電路都連接2.4G通信模塊作為外設(shè)，可以通過無線通信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池電量情況并進(jìn)行及時(shí)有效的充放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能管理。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1總體設(shè)計(jì)框圖模塊方案選型供電電池選型目前主流的供電電池有:1）普通化學(xué)干電池，更換方便但容量小，不能反復(fù)使用；2）紐扣電池，體積小但不可反復(fù)使用，報(bào)廢污染環(huán)境；3）鋰電池，容量合適，可反復(fù)使用，且體積小，環(huán)保；通過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)對(duì)比論證，最終選擇可反復(fù)充電的3.7V鋰電池［1］為供電源。電池管理模塊選型電池管理模塊的功能為:1）接收線圈獲得的能量經(jīng)過管理電路提供給鋰電池為其充電，自主設(shè)計(jì)的電路圖在硬件部分設(shè)計(jì)給出；2）通過AD采樣獲取鋰電池電量信息，ARM核內(nèi)部編程算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的反饋信息傳遞給2.4G通信模塊輸出，控制電路設(shè)計(jì)及編程思路在后面給出。表1充電方式工作原理充電距離充電效率/%一般用途備注電磁感應(yīng)式初級(jí)線圈與次級(jí)線圈電磁感應(yīng)［2］厘米級(jí)別70數(shù)碼產(chǎn)品的充電板、充電墊。充電距離和效率不理想磁共振式通過阻抗匹配使震蕩源發(fā)射電磁信號(hào)與接收震蕩信號(hào)產(chǎn)生共振［3］數(shù)十厘米到數(shù)米間80于個(gè)人電腦,智能手機(jī)的無線充電設(shè)備。比較符合作品要求電場(chǎng)耦合式通過沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來傳輸電能［4］超短距離難測(cè)只能在特定的位置才能精確地充電,在生活中應(yīng)用領(lǐng)域有限。很難實(shí)現(xiàn)無線電波式通過硅整流二極管天線將微波轉(zhuǎn)換為電能[5]10米以上38太空太陽能發(fā)電為衛(wèi)星供電不符合作品要求電源模塊選型充電設(shè)備的電力由220V轉(zhuǎn)15V的電源適配器外接市電提供，將得到的直流電經(jīng)過ZVS模塊變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^供電電路傳遞給發(fā)射線圈使其產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)進(jìn)行無線充電。供電管理模塊選型供電管理模塊作用為利用PWM功能控制輸出?？刂菩盘?hào)由ARM控制板輸出，輸入信號(hào)為2.4G模塊傳來鋰電池的電量消息，內(nèi)部具體算法由后面軟件部分給出。充電方式選型目前主要存在的無線充電方式有4種，可總結(jié)如表1所示。綜合考慮充電距離和效率等因素，通過理論和實(shí)際論證，本產(chǎn)品采用磁共振式無線充電方式進(jìn)行無線充電。1.3具體器件確定經(jīng)過理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)理論框圖設(shè)計(jì)出具體電路模塊如圖2所示。最終對(duì)作品的有效器件及電路參數(shù)進(jìn)行確定。圖2具體電路模塊供電電池：經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終選擇容量為2000mAh的3.7V可自由充放電達(dá)到上千次的聚合物鋰電池作為供電電池。ARM控制芯片：采用ARMv6M的CortexM0平臺(tái)的STM32L073，具有超低功耗、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域，符合本產(chǎn)品的要求，實(shí)現(xiàn)低功耗。ZVS模塊：ZVS模塊主要使用了兩個(gè)UTC50N06芯片、磁芯、穩(wěn)壓管，該芯片帶有兩個(gè)大功率MOS管，可以將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)后傳輸給無線充電模塊。PWM電子開關(guān)：PWM電子開關(guān)模塊選用的芯片型號(hào)為EL-817_4DIP4，它是常用的線性光耦，在各種要求比較精密的功能電路中被普遍使用，能夠使上下級(jí)電路完全隔離且相互之間不產(chǎn)生影響［6］。2.4G無線傳輸模塊：采用NRF24L01+模塊設(shè)計(jì)，射頻芯片為BK2425，內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分，易于開發(fā)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，傳輸效果良好。AD模塊：采用超小型16位4通道ADS1115精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常用于對(duì)精密度要求比較高的電路中，工作性能良好，適用于本設(shè)計(jì)電路。無線充電線圈設(shè)計(jì)：經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)篩選，最終設(shè)計(jì)出導(dǎo)線線徑為0.5mm的外部絕緣銅線繞成的直徑為4cm的螺旋式線圈，實(shí)測(cè)磁共振頻率為136kHz時(shí)充電效果最為理想［7］有效距離可達(dá)10cm。2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)主要包括控制部分和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠忠訟RM為核心，包括由ARM控制的AD和2.4G發(fā)送模塊。驅(qū)動(dòng)部分包括電源、ZVS、PWM電子開關(guān)、2.4G接收模塊、無線充電發(fā)射等模塊。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3整體結(jié)構(gòu)圖邏輯控制部分設(shè)計(jì)邏輯控制部分由電源電路和主控電路兩個(gè)部分組成，主要作用為實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)鋰電池電量變化信息，通過ARM核將反饋的信息由2.4G模塊發(fā)送給硬件驅(qū)動(dòng)電路，其工作原理如圖4所示。圖4控制部分電路原理圖電源電路設(shè)計(jì)電源電路的作用為將感應(yīng)線圈接收到的電能經(jīng)過系列變換后為鋰電池充電。電路采用雙電源輸入保證充電效果的高效性，線圈接收的能量經(jīng)過整流和濾波電路后傳遞給降壓電路。降壓模塊采用MP1584作為核心芯片，內(nèi)含可變電阻可以使輸入電壓降到3.7V為鋰電池供電。電池接入兩端并接了包含8205和DW01兩款電源保護(hù)IC芯片的鋰電池保護(hù)電路，進(jìn)一步保證了電池充電的穩(wěn)定性。該部分自主設(shè)計(jì)的電路圖如圖5所示。圖5電源電路主控電路設(shè)計(jì)主控電路的作用為將采集到的電池電量信息做出相應(yīng)的反饋。主控ARM芯片連接AD和2.4G等外設(shè)，AD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池電量情況，并及時(shí)將信息反饋給主控芯片。當(dāng)電池電量低于自己預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，主控芯片內(nèi)部算法就會(huì)發(fā)出充電信息，通過外設(shè)連接的2.4G模塊，將信號(hào)經(jīng)無線通信傳送至外部充電設(shè)備，使其開啟PWM電子開關(guān)，對(duì)電池進(jìn)行無線充電；同理，當(dāng)電池電量高于預(yù)設(shè)的電壓值時(shí)，主控芯片就會(huì)發(fā)出斷電信號(hào)及時(shí)將充電斷開，從而避免了電池過充保證了電池正常充放電。該部分結(jié)構(gòu)和自主設(shè)計(jì)電路［8］如圖6所示。圖6主控電路2.3硬件驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)硬件驅(qū)動(dòng)部分的主要作用是對(duì)主控板進(jìn)行外部無線充電。該部分硬件電路連接可分為充電電路和控制電路兩個(gè)部分，充電電路的工作原理為由220V轉(zhuǎn)15V的電源適配器外接市電輸入，經(jīng)過降壓模塊得到5V的工作電壓，再經(jīng)過ZVS模塊將直流電轉(zhuǎn)換為交流電提供給發(fā)射線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使其與接收線圈之間發(fā)生磁共振式感應(yīng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線充電。控制電路的工作原理為2.4G接收模塊的充放電信號(hào)輸入給外部ARM主控板使之產(chǎn)生控制PWM電子開關(guān)工作的高低電平，進(jìn)而控制充電電路的工作，實(shí)現(xiàn)了智能控制充放電電。該部分的工作流程圖如圖7所示。圖7硬件驅(qū)動(dòng)部分工作流程圖軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)構(gòu)架本作品的軟件構(gòu)架［9］可分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和系統(tǒng)調(diào)用層兩個(gè)部分。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)初始化AD、SPI、GPIO等基本外設(shè)，系統(tǒng)調(diào)用層主要負(fù)責(zé)具體的功能設(shè)計(jì)，給模塊加入指定功能。軟件系統(tǒng)構(gòu)架如圖8所示。圖8軟件系統(tǒng)構(gòu)架框圖設(shè)備驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)此部分設(shè)計(jì)主要完成以下三個(gè)功能：1） 用于初始化。主要包括GPIO配置初始化、NVIC配置初始化、AD配置初始化、SPI配置初始化以及完成一些基本電路如LED指示燈的初始化工作；2） 用于讀取信號(hào)。讀取程序控制模塊中正在輸入和輸出的控制信號(hào)的信息；3） 用于數(shù)據(jù)保存。主要為硬件數(shù)據(jù)的保存，以便設(shè)備在使用時(shí)出現(xiàn)故障能夠及時(shí)恢復(fù)。電池管理模塊與充電管理模塊的ARM主控板通過2.4G無線通信進(jìn)行智能連接，ARM驅(qū)動(dòng)程序流程框圖如圖9所示。圖9軟件驅(qū)動(dòng)層程序框圖系統(tǒng)調(diào)用層設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)用層［10］的功能設(shè)計(jì)主要需要完成兩個(gè)功能，一是通過調(diào)用ST官方函數(shù)庫中的AD、SPI函數(shù)用來控制ARM核，從而實(shí)現(xiàn)AD數(shù)據(jù)采樣和SPI實(shí)時(shí)通信等功能，二是根據(jù)需求的特定功能添加或刪減功能函數(shù)以確保AD和SPI模塊能夠符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。電池充電性能分析可充電電池充電原理我們知道，為了使一般鎳電池具有最佳的性能，必須在其電量全部放完之后才能開始進(jìn)行下一輪充電，即需要用完一次充一次。鋰電池不具備“記憶效應(yīng)”，可以隨時(shí)充電，但必須嚴(yán)格按照其自身特性曲線工作才能達(dá)到良好的性能。鋰電池充電對(duì)充電電壓精密度要求較高，當(dāng)充電電壓比額定電壓小0.1V時(shí)會(huì)導(dǎo)致充電不足，大于0.1V時(shí)又會(huì)影響其安全性能［11］。正是由于鋰電池獨(dú)特的充電性質(zhì)，分析其充電特性曲線并找到一種合適的充電策略是十分有必要的。建立充電模型及仿真目前常用的鋰電池充電方法主要有：1）分段式充電法；2）限流恒壓充電法；3）分級(jí)定電流充電法三種。本部分采用對(duì)分級(jí)定電流充電法進(jìn)行模擬與實(shí)際自主設(shè)計(jì)的無線充電性能進(jìn)行對(duì)比，用來檢測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能的好壞4.2.1等效模型建立由于鋰電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)是受溫度影響的非線性過程，且其性能受極化深度、工況及老化程度的影響，故很難建立一個(gè)完美的模型來精確表現(xiàn)出鋰電池的所有性能。在不考慮溫度對(duì)模型的影響，目前常用的電路模型如圖10所示。圖10鋰電池充電模擬電路模型參數(shù)選擇1） 整流模塊M1采用MBIOS0.5A/1000VS0P4模塊；2） 濾波電容C1:由下式可得：（1）其中:Po=2.5W,Umax=311V,Umin=310V，n=50%,fAC=50Hz，代入數(shù)據(jù)，取C1=200pF;3） 穩(wěn)壓二極管D采用12V的IN4742系列；4） 變壓器：功率為10W，頻率為190kHz；5） SP型補(bǔ)償電容［12］:Cp=19nF，Cs=16nF(2)發(fā)射、接收線圈耦合系數(shù)由串聯(lián)耦合測(cè)試法得到。將兩線圈串聯(lián)正接：L1=LP+LS+2M(3)串聯(lián)反接：L2=LP+LS-2M(4)得兩線圈互感：(5)耦合系數(shù)：(6)接收電路振流橋M2由IA/20V的B5817W的二極管組成；濾波電容C2:由：(7)其中:f=192.5kHz(工作頻率),RL為等效負(fù)載電阻，RL=10Q,帶入數(shù)據(jù)，?。篊2=10pF(8)電路仿真用PSPICE軟件對(duì)等效電路進(jìn)行閉環(huán)仿真，得到鋰電池的電壓與充電電流的波形如圖11所示。圖11電路仿真圖實(shí)測(cè)充電數(shù)據(jù)對(duì)比為檢驗(yàn)本系統(tǒng)充電效果，在充電過程取樣十個(gè)點(diǎn)的電壓電流值，與模擬曲線對(duì)比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2。表2組別12345678910實(shí)測(cè)(0.2,0.36)(0.9,0.37)(1.7,0.37)(2.6,0.36)(3.0,0.37)(3.5,0.37)(3.7,0.37)(3.7,0.31)(3.7,0.2)(3.7,0.14)模擬(0.2,0.4)(0.9,0.4)(1.7,0.4)(2.6,0.4)(3.0,0.4)(3.5,0.4)(3.7,0.4)(3.7,0.3)(3.7,0.2)(3.7,0.12)充電性能綜合探討由模擬充電電壓和電流的關(guān)系曲線可知，當(dāng)鋰電池的電壓小于3.7V時(shí)，對(duì)電池以0.4A的電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓會(huì)緩慢增加到額定電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到3.7V時(shí)就會(huì)對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)充電電流就會(huì)緩慢下降。理論分析、仿真結(jié)果、實(shí)際檢測(cè)三者基本一致，實(shí)驗(yàn)誤差很小。由數(shù)據(jù)分析也進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)充電的有效性和高效性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與產(chǎn)品性能分析本智能無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程為：社會(huì)現(xiàn)象—設(shè)計(jì)思想—理論設(shè)計(jì)—電路仿真—硬件連接—軟件聯(lián)調(diào)—性能測(cè)試。在測(cè)試方面遵循從單元測(cè)試到集成測(cè)試再到系統(tǒng)測(cè)試的思路。5.1硬件模塊測(cè)試與性能分析底層的硬件電路測(cè)試包括對(duì)磁共振式無線充電的性能測(cè)試、充電電路測(cè)試、控制電路測(cè)試及電池的充電性能測(cè)試。本設(shè)計(jì)采用磁共振式無線充電方式，并自主設(shè)計(jì)螺旋式電感線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面線圈，可以消除充電過程的渦流效應(yīng)使電能傳輸效率大大提高，經(jīng)實(shí)測(cè)，本設(shè)計(jì)的無線充電距離可達(dá)10cm，充電效率可達(dá)75%左右；充電電路采用分模塊測(cè)試方法，將各模塊工作狀態(tài)單獨(dú)測(cè)試性能并逐個(gè)優(yōu)化，使電路整體工作性能達(dá)到最佳；控制電路測(cè)試主要測(cè)試其需要實(shí)現(xiàn)的功能是否實(shí)際有效，通過多次接通低電量和滿電量的鋰電池接入充電系統(tǒng)，控制電路都會(huì)及時(shí)做出對(duì)應(yīng)的充電和斷電操作，滿足性能要求；驗(yàn)證鋰電池續(xù)航能力，經(jīng)過多次測(cè)試，選用鋰電池的充放電曲線都符合圖8仿真圖，能夠得到預(yù)期的充電效果。軟件模塊測(cè)試與性能分析本作品中涉及到的軟件部分主要包括：ARM編程和ARM驅(qū)動(dòng)編程設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段各模塊的軟件測(cè)試都是黑盒測(cè)試，以輸入輸出是否達(dá)標(biāo)為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整體軟件架構(gòu)的可行性做實(shí)踐測(cè)試，程序健壯性和安全性暫不作為主要測(cè)試目標(biāo)。將軟件設(shè)計(jì)程序移植到ST同系列開發(fā)板上測(cè)試功能，可以得到相同的驗(yàn)證效果，從而檢測(cè)了軟件部分的可行性。系統(tǒng)測(cè)試與性能分析硬件和軟件模塊測(cè)試完成后進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)際性能測(cè)試，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試用來分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能：1） 整個(gè)設(shè)備可以續(xù)航工作兩天一主控芯片采用STM32L低功耗芯片一設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有低功耗和高續(xù)航性能。2） 充滿一塊容量為2000mAh的3.7V鋰電池只需要150分鐘一采用磁共振式無線充電方式—設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高轉(zhuǎn)換效率的性能。3） 在電池電量低于最低預(yù)警值時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行無線充電，在電池電量高于預(yù)設(shè)值時(shí)充電自動(dòng)斷掉一采用ARM芯片控制用AD實(shí)時(shí)采樣電量信息通過2.4G模塊進(jìn)行無線通信—設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有能夠?qū)Τ潆娫O(shè)備充放電進(jìn)行智能管理的性能。結(jié)語經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、調(diào)試、改良，本系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線充電進(jìn)行智能管理。在性能上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)充電效率實(shí)際可高達(dá)75%