應(yīng)用于充電式儀器儀表的智能無線充電裝置的研制

陶 杰,童 鑫，徐小三，殷忠寧，龔建軍

(國網(wǎng)合肥供電公司，安徽 合肥 230000)

無線充電技術(shù)由于其獨特的便利性，作為近年來的新興技術(shù)發(fā)展迅速[1]。由于無線傳輸過程中的傳輸效率問題，目前有關(guān)無線充電技術(shù)的研究多專注于提高其傳輸效率以及充電原理改善開發(fā)[2]，而轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的不同類型裝置卻不常見。在電氣試驗檢測的特殊應(yīng)用場合中，常用到一類特殊的充電式儀器儀表(高頻、特高頻檢測設(shè)備、直流電阻測試儀、絕緣電阻測試儀、紅外檢測儀等)，此類設(shè)備基于自身特點以及應(yīng)用場合而具有一定的特殊性。

a.全年使用頻次低，閑置時間久，很容易發(fā)生電池虧損，因此對于充電裝置需要有自動充電以及電池保護功能。

b.電池電壓普遍較高，位于12.0～16.8 V，電池容量較大，最大可達16 800 mAh，充電電流為1.5～2 A，充電功率較大，最高可達30 W，因此要求充電裝置具有較大充電功率。

c.大多儀器儀表具有塑封防水絕緣外裝，以應(yīng)對戶外惡劣的工作環(huán)境，基于此特點，使此類儀器儀表方便進行無線充電改裝(便于接收線圈的安裝)。

本文從基本的無線充電原理出發(fā)，針對工程檢測中此類特殊應(yīng)用的充電式儀器儀表，旨在研發(fā)一種能夠通用化、智能化(防過沖、防虧電)的無線充電管理裝置。

1 充電模塊設(shè)計

1.1 發(fā)射電路設(shè)計

根據(jù)不低于30 W充電功率的要求，采用XKT-801(輸出功率最高60 W)作為發(fā)射電路控制芯片，設(shè)計相匹配的發(fā)射電路,如圖1所示。

1.2 接收電路設(shè)計

采用XKT-630作為接收電路控制芯片，設(shè)計相匹配的接收電路[3]，如圖2所示，圖中R2為可調(diào)電阻，可通過調(diào)節(jié)此電阻的大小改變輸出電壓值。

2 控制模塊設(shè)計

本文設(shè)計2級控制模式。

a.第1級控制采用基于機械原理的壓力開關(guān)，判斷有、無儀器儀表的2種狀態(tài)，作為整個裝置的自動開關(guān)，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

b.第2級控制基于程序設(shè)計，根據(jù)當前電池電量狀態(tài)，進行充電過程開啟、停止的控制，實現(xiàn)在保護電池的前提下完成充電功能。

此級控制具體分為3個部分。

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a.第1部分是防止過度充電的保護控制，在無線充電方式下，電池電量的判斷無法通過檢測電池電壓的方式，本文根據(jù)電池恒壓充電時，其充電電流是非線性逐步減小的特性[4]，對此類儀器儀表的2種較大容量電池設(shè)計無線充電試驗，并根據(jù)電池電壓情況，同步檢測充電電流的變化曲線，從而得出電池無線充電電流與電池電量的關(guān)系曲線，如圖3所示。

上述試驗結(jié)果說明，隨著電池電量的增加，無線充電發(fā)射端的充電電流逐漸減小，即可通過檢測無線發(fā)射端的交流電流減小到一定值(無線充電本身損耗)來判斷電池電量的狀態(tài)，以此為依據(jù)控制無線充電的停止，防止電池飽和過度充電。

b.第2部分是防止電池過度缺電的保護控制。充電式儀器儀表都存在自然耗電情況，需要設(shè)計自動開啟充電的控制方法，及時開啟充電。本文對此類儀器儀表進行電池自然損耗的數(shù)據(jù)測試，結(jié)果如表1所示。本文定義損耗時間為設(shè)備在關(guān)機狀態(tài)下，電量由100%減少至60%所需時間。

表1 儀器儀表電池損耗時間統(tǒng)計

根據(jù)試驗結(jié)果，針對此類儀器儀表，本文通過程序設(shè)定在定時間隔后開啟無線充電，完成防止電池過度缺電的保護控制。

b.第3部分為檢測電路保護控制。發(fā)射線圈通電建立恒定磁場時，將在線圈中產(chǎn)生較大勵磁電流[5]，本文設(shè)定電流檢測單元開啟時間滯后于發(fā)射線圈通電時間2 s，防止勵磁涌流過大超出電流檢測單元量程而損壞檢測單元。

結(jié)合所有控制環(huán)節(jié)，總結(jié)控制流程,如圖4所示。

本文采用基于芯片ATmega328的ardunio uno開發(fā)板作為控制板[6]，其具有通用USB接口，程序開發(fā)簡單，恢復迅速。將上述控制流程編寫程序?qū)懭肟刂瓢澹⑼ㄟ^試驗驗證端口電平情況。

3 電流檢測單元設(shè)計

本文采用霍爾傳感器作為檢測交流電流的信號采集單元[7]，并根據(jù)電流大小設(shè)計相關(guān)整流放大電路[8]，將交流電流信號轉(zhuǎn)化為線性電壓信號，再經(jīng)過簡單的電路優(yōu)化設(shè)計[9]，電流檢測電路原理如圖5所示。

4 實際裝置模型制作

4.1 發(fā)射端底座設(shè)計

根據(jù)圖6，繪制無線充電裝置底座的3D圖形，并采用當前較為成熟的3D打印技術(shù)進行打印[10]，同時設(shè)計USB接口方便與控制模塊對接，設(shè)計圖及實際完成底座如圖7所示。

4.2 控制電路設(shè)計

將控制程序?qū)懭肟刂瓢?，按照程序已定義的端口連接電路，并設(shè)計紅、綠、黃三色燈光代表“充電中”、“電滿”、“緩沖中”3種狀態(tài)。采用繼電器作為強弱電隔離的控制開關(guān)，完成將控制板輸出的DC3.3V高低電平信號轉(zhuǎn)化為AC220電源的開關(guān)以及檢測單元電源的通、斷，并設(shè)計試驗驗證控制板的邏輯功能正確。實際完成的控制電路如圖8所示。

4.3 接收端設(shè)計

按照電路原理，制作接收電路。針對該接收電路，選擇貼片式元器件進行外觀、體積的優(yōu)化設(shè)計，將接收線圈平整粘貼于儀器儀表底部，同時調(diào)節(jié)該接收模塊的輸出電壓以針對不同充電電壓的儀器儀表。接收線圈以及儀器儀表改裝如圖9所示。

5 裝置測試結(jié)果

完成初版裝置組裝，設(shè)置充滿后間隔10 min重啟(方便快速驗證試驗結(jié)果)，實際完成的裝置測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

表2中列出了5種已完成安裝的儀器儀表的試驗數(shù)據(jù)，儀器1以及儀器2電池電量滿狀態(tài)下，本裝置會立刻判斷滿電，并切斷發(fā)射線圈電源，綠燈立刻關(guān)閉，并且在設(shè)定的10 min間隔后再次重啟充電發(fā)射裝置，并判斷滿電狀態(tài)，綠燈閃爍后立刻關(guān)閉，依次循環(huán)；儀器3、儀器4以及儀器5由于電量不滿，立刻進入充電狀態(tài)，紅燈亮，待電池滿電后，同樣也進入上述循環(huán)。

通過試驗結(jié)果，說明本裝置放置儀器儀表后，能夠立即打開發(fā)射線圈電源，開啟充電，并且電池電量達到或接近100%時，自動斷開發(fā)射線圈電源，在一定時間周期后，裝置能夠重啟充電，至此完成針對工業(yè)用充電式儀器儀表的智能化無線充電裝置。

6 結(jié)束語

通過試驗表明，本文所研制的智能無線充電裝置具有自充電、自斷電的儀器儀表電池智能充電管理功能。此外，本裝置在提高傳輸效率以及在整機設(shè)計方面仍有不足，也是進一步深入研究的方向。

本裝置的研制對于工業(yè)檢測儀器儀表這一類特殊領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，同時為無線充電技術(shù)實際應(yīng)用的研究發(fā)展方向提供借鑒。