無線感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)仿真與設(shè)計

謝智娟，金學(xué)軍

(1.常州衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213000;2.井岡山大學(xué)教育學(xué)院，江西 吉安 343009)

責(zé)任編輯:薛 京

近年來，布線成本成了有線通信網(wǎng)絡(luò)的一個沉重負擔(dān)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有安裝成本低、傳感器端子重構(gòu)小的優(yōu)點，此外它還能安裝在很難提供電力的地方［1］。因為基于無線系統(tǒng)每一個終端設(shè)備都需要交換電池，導(dǎo)致了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入成本增加。于是需要實現(xiàn)一個傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能實現(xiàn)短距離提供電力。無線充電是隨著微電子及云計算技術(shù)應(yīng)運而生的無線充電傳輸技術(shù)。無線充電傳輸技術(shù)體系結(jié)構(gòu)突出了開放性以及可編程性，運用數(shù)字化虛擬傳輸處理，通過A/D和D/A變換，減少硬件電路單一缺陷，實現(xiàn)了只需要天線信號就能濾波放大后由A/D產(chǎn)生采樣增壓指令，并被核心計算機模塊接收，提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍，滿足無線充電設(shè)備增壓、傳輸?shù)囊?，這種感應(yīng)耦合預(yù)處理技術(shù)就是無線充電電能傳輸技術(shù)。無線感應(yīng)耦合電能傳輸充電技術(shù)具有一些很實用的優(yōu)點與應(yīng)用領(lǐng)域，比如可以解決電子設(shè)備充電接口不兼容的狀況，很多傳感器也需要無線充電，還有就是應(yīng)用于植入性醫(yī)療器件、市政交通管理設(shè)備。在沙漠、深山、探井等人力不能到達的地域以及高危險領(lǐng)域，同樣需要無線充電技術(shù)。

1 設(shè)計需求分析

1.1 設(shè)計理念

基于無線充電特點和技術(shù)需求的認識，在系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)上，必須盡量采用先進實用的主流技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備及線路條件。為此，確定采用以下設(shè)計路線:依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)通道，采用感應(yīng)耦合交換技術(shù)，實現(xiàn)電能無線網(wǎng)絡(luò)傳輸;本文設(shè)計中采用電路仿真模型，進行面向無線充電對象的設(shè)計。

1.1.1 硬件環(huán)境

硬件環(huán)境指的是承載整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施物理環(huán)境，包括各類主機服務(wù)器、接收設(shè)備、感應(yīng)設(shè)備、充電模塊、交換設(shè)備以及線路、UPS等。

1.1.2 系統(tǒng)平臺

無線充電系統(tǒng)平臺是一個復(fù)合體，既有基礎(chǔ)服務(wù)構(gòu)成層體系(包括操作系統(tǒng)、各類中間件)，又有軟件應(yīng)用平臺體系(包含各類應(yīng)用共用無線服務(wù)軟件)，還包括感應(yīng)充電接收體系以及耦合電能傳輸運行體系。

1.1.3 系統(tǒng)支撐層

系統(tǒng)支撐層是多層架構(gòu)的，它將組件技術(shù)和電能傳輸技術(shù)整合一體。本系統(tǒng)支撐層包括無線傳輸系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)、感應(yīng)充電耦合系統(tǒng)、電能傳輸接收系統(tǒng)和調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)等。

1.2 主要技術(shù)路線以及技術(shù)因素考慮

1.2.1 感應(yīng)傳輸技術(shù)

通過無線網(wǎng)絡(luò)計算機中的若干關(guān)鍵點發(fā)送信息并對電器進行充電，并依靠無線感應(yīng)電能耦合傳輸技術(shù)的軟件和硬件整合來實現(xiàn)遠程無線充電的過程。無線感應(yīng)電能耦合傳輸技術(shù)一般依靠無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常將主機、無線網(wǎng)絡(luò)、代理服務(wù)器、服務(wù)電路進行構(gòu)建。傳輸中原始網(wǎng)絡(luò)包是數(shù)據(jù)源的關(guān)鍵，利用主控電路和程序在混雜模式下實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)適配器，并對網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流進行處理、打包、分析。一旦需要充電行為，響應(yīng)模塊就提供多種選項通知、報警，并對指令采取必要的響應(yīng)措施。

1.2.2 充電的工作原理

無線電力傳輸射頻技術(shù)(RFID)有多種無線傳輸技術(shù)，例如共振耦合和電感耦合，圖1所示為與微波MPT、RFID模塊構(gòu)建無線充電系統(tǒng)UPS。

圖1 互感原理圖

圖中L1為無線充電系統(tǒng)UPS線圈電感，L2為無線充電系統(tǒng)UPS對應(yīng)邊線圈電感，R1為電阻，R2為對應(yīng)邊電阻，M為電流互感。假設(shè)線圈間的耦合系數(shù)為k，R1與L1的合阻抗為Z1，R2與L2的合阻抗為Z2，Lm的阻抗為Zm，則有

無線傳能的傳輸效率可表示為

式中:ULIL是電路電壓、電流;UPIP是電源電壓、電流。由于無線充電UPS線圈間隙耦合的k值偏小，因此通過式(4)可知無線充電系統(tǒng)UPS傳輸效率不高。

1.2.3 無線感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)優(yōu)點

1)成本較低:無線充電系統(tǒng)NIDS設(shè)置在遠程網(wǎng)絡(luò)中，可以是一個節(jié)點，也可以是多個關(guān)鍵節(jié)點。由于無須在每臺電器上都安裝NIDS，實現(xiàn)和管理成本較低。

2)實時充電及響應(yīng)［2］:NIDS充電可以隨時發(fā)現(xiàn)應(yīng)對訪問或者反饋，并能迅速做出響應(yīng)措施，具有較強的實時性。這種實時性使得可以根據(jù)預(yù)先定義的參數(shù)迅速采取相應(yīng)的行動，從而將電能傳輸造成的損失減至最低。

3)電壓倍增:無線能量的一個主要障礙是把收獲到的相對低功率無線射頻(RF)能量增強到足夠高的直流電壓為實際使用。于是使用幾個電壓倍增器串聯(lián)，以提高無線能量收集電路的直流輸出電壓的拓撲［3］。為了保證電路有足夠的電壓和功率，在實際應(yīng)用中，通過串接EHU大電容來實現(xiàn)。

2 無線充電系統(tǒng)功能仿真設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計

2.1.1 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

無線網(wǎng)絡(luò)模塊主要是微波功率接收與指令系統(tǒng)使用(圖2所示)。

圖2 微波功率接收系統(tǒng)圖

這個微波接收系統(tǒng)包括整流電路、DC－DC轉(zhuǎn)換器、恒定直流電源3部分。電源存儲器由一個電容建立，如果微波功率不足以推動ZigBee設(shè)備，電容可以取代二次電池。二次電池，可以提供穩(wěn)定的電力，但它比電容壽命短。在這項研究中使用的ZigBee設(shè)備套件是由NEC生產(chǎn)的ZB24FM－Z套件(其中含有溫度傳感器)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由控制節(jié)點(ZED)、通信基站(ZC)和控制終端(ZR)三部分組成。

2.1.2 電源模塊

目前，運用無線網(wǎng)絡(luò)遠程控制的感應(yīng)耦合電路一直是電源設(shè)計的關(guān)注熱點［4］。作為電源設(shè)計中常用的單片機，常常利用可控硅器件控制電壓電流大小，有時電源還能感應(yīng)耦合電路自動開閉。感應(yīng)耦合電路方案利用單穩(wěn)態(tài)晶閘管可控硅器件控制電路，以達到感應(yīng)耦合電路傳輸?shù)哪康?圖3所示)。

圖3 電流測量方案(CX為可控硅器件，TX為定時裝置)

2.2 電路的設(shè)計

2.2.1 感應(yīng)控制電路

根據(jù)RC感應(yīng)耦合規(guī)律，利用可控硅器件構(gòu)成如圖4所示的電源制電路。

圖4 電路示意圖

圖4中，因為反相器輸出的電平幅度是獨立的，為保證傳輸系統(tǒng)導(dǎo)通，電路設(shè)計了VD1;為了保證感應(yīng)電路傳輸?shù)钠椒€(wěn)性，令UI為高電平，且電路增加了VD2。這樣，無論電平高低，晶體管V都會由導(dǎo)通變成截止，這樣保證CX可控硅器件充電，導(dǎo)致Uc上升。如果Uc＞UR，那么電器呈現(xiàn)為低電平。同樣，如果CX放電，導(dǎo)致Uc逐漸下降，只要Uc＞UR，電器必然呈現(xiàn)為高電平。根據(jù)推導(dǎo)可得出

若取UR=(VCC+VCES)/2，則得TX=RCXln2。

另外，根據(jù)電路傳輸控制，還可以對電路傳輸控制進行優(yōu)化。如果CX改變脈沖寬度，讓TX與CX成正比，那么，TX因無線電路系統(tǒng)的飽和壓而降低VCES，很自然進行數(shù)據(jù)鎖存。

3 無線感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的仿真

3.1 函數(shù)量變模型

假設(shè)將Vcc=5 V，R=100 Ω 代入式(5)，則 －icx＞βIB－50，β是感應(yīng)耦合傳輸系統(tǒng)的電流放大系數(shù)，IB是感應(yīng)耦合傳輸系統(tǒng)的2位顯示電流，它與Rb的函數(shù)關(guān)系為

式中:1.4 V為正向壓降和系數(shù)。

這里，由于無線充電變化，Uc的最大值是5 V，放電結(jié)束時Uc的最小值是0，方波振蕩周期為0.5 s。當(dāng)無線充電系統(tǒng)反相器電壓UI變化成高電平時，晶體管由于截止導(dǎo)致CX充電，整個電路Uc上升。只要Uc＞VREF，那么電路電壓是低電平［5］。同樣，如果CX放電，只要Uc＜VREF，電壓必然是高電平。

3.2 無線充電系統(tǒng)的仿真測試

假設(shè)無線充電電路UI為低電平，那么CX放電，晶體管導(dǎo)通。一旦CX左右兩邊電壓Uc＞VCES，CX中的電流為

如果R=100 Ω，Vcc=5 V，那么 －icx＞βIB－50(mA)(β是電流系數(shù)，IB是基極電流)。這樣可以得到與Rb函數(shù)關(guān)系與式(6)相同。

如果繼續(xù)將Vcc=5 V進行無線充電優(yōu)化，和式(7)結(jié)合成方程組，得到

可以得到無線充電電路仿真波形如圖5所示。

圖5 充放電電路及其模擬結(jié)果

從圖5b可看到模擬結(jié)果十分符合充放電的相關(guān)規(guī)律，電平的變化和為無線傳輸?shù)馁|(zhì)量是相吻合的。

4 總結(jié)

無線充電是隨著微電子及云計算技術(shù)應(yīng)運而生的無線充電傳輸技術(shù)，開發(fā)具有現(xiàn)實挑戰(zhàn)性。在科技和技術(shù)日益發(fā)展的今天，開放性和可編程性無線充電技術(shù)會發(fā)展的更好，相信有一天感應(yīng)耦合電能傳輸會成為人們生活的好幫手。

［1］黃潔琳，章磊.無線充電的設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2009(3):30.

［2］肖志堅，韓震宇，李紹卓.關(guān)于便攜式電子設(shè)備新型無線充電系統(tǒng)的研究［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007(12):114－116.

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［4］倪蘭.無線充電技術(shù)國際標準發(fā)布 市場風(fēng)險致主流廠商態(tài)度未明［J］.通信世界，2010(33):4.

［5］楊小牛，樓才義，徐建良.無線充電原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.