一種智能無線充電系統(tǒng)設計

一種智能無線充電系統(tǒng)設計葉先萬;蔣碧波;李躍偉【摘要】針對目前市場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,文章設計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時電壓和充電電流等信息，根據(jù)內(nèi)置的智能算法,通過振幅調制載波功率限制,實現(xiàn)自適應動態(tài)輸出;實驗表明,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)電池實時電量信息進行智能控制,有效地預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、轉換效率高、能夠對充放電智能管理等特點,可廣泛應用于智能家居、智能醫(yī)療、智能穿戴等領域，具有良好的社會價值和經(jīng)濟價值.％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】《計算機測量與控制》年(卷),期】2018(026)006【總頁數(shù)】5頁(P239-243)【關鍵詞】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】湖北大學計算機與信息工程學院,武漢430000;湖北大學計算機與信息工程學院,武漢430000;中糧糖業(yè)遼寧有限公司,遼寧營口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，針對此現(xiàn)狀，文章自主設計了一種轉換效率高并且可以對充放電過程進行智能管理的無線充電系統(tǒng)。1總體設計總體設計框圖系統(tǒng)分為充電設備和電池設備兩個部分。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行充電。兩個部分的控制電路都連接2.4G通信模塊作為外設，可以通過無線通信實時監(jiān)測鋰電池電量情況并進行及時有效的充放電，進而實現(xiàn)智能管理。設計框圖如圖1所示。圖1總體設計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）普通化學干電池，更換方便但容量小，不能反復使用；2）紐扣電池，體積小但不可反復使用，報廢污染環(huán)境；3）鋰電池，容量合適，可反復使用，且體積小，環(huán)保；通過多次實驗反復對比論證，最終選擇可反復充電的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，自主設計的電路圖在硬件部分設計給出；2）通過AD采樣獲取鋰電池電量信息，ARM核內(nèi)部編程算法實時監(jiān)測的反饋信息傳遞給2.4G通信模塊輸出，控制電路設計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式初級線圈與次級線圈電磁感應［2］厘米級別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)射電磁信號與接收震蕩信號產(chǎn)生共振［3］數(shù)十厘米到數(shù)米間80于個人電腦,智能手機的無線充電設備。比較符合作品要求電場耦合式通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子產(chǎn)生的感應電場來傳輸電能［4］超短距離難測只能在特定的位置才能精確地充電,在生活中應用領域有限。很難實現(xiàn)無線電波式通過硅整流二極管天線將微波轉換為電能[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備的電力由220V轉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?，通過供電電路傳遞給發(fā)射線圈使其產(chǎn)生變化的磁場進行無線充電。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?？刂菩盘栍葾RM控制板輸出，輸入信號為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，通過理論和實際論證，本產(chǎn)品采用磁共振式無線充電方式進行無線充電。1.3具體器件確定經(jīng)過理論設計和實驗驗證，根據(jù)理論框圖設計出具體電路模塊如圖2所示。最終對作品的有效器件及電路參數(shù)進行確定。圖2具體電路模塊供電電池：經(jīng)過市場調研和實驗測試，最終選擇容量為2000mAh的3.7V可自由充放電達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平臺的STM32L073，具有超低功耗、操作簡便等特點，廣泛應用于工控領域，符合本產(chǎn)品的要求，實現(xiàn)低功耗。ZVS模塊：ZVS模塊主要使用了兩個UTC50N06芯片、磁芯、穩(wěn)壓管，該芯片帶有兩個大功率MOS管，可以將直流信號轉換成交流信號后傳輸給無線充電模塊。PWM電子開關：PWM電子開關模塊選用的芯片型號為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+模塊設計，射頻芯片為BK2425，內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理部分，易于開發(fā)，經(jīng)過實驗驗證，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)轉換器，通常用于對精密度要求比較高的電路中，工作性能良好，適用于本設計電路。無線充電線圈設計：經(jīng)過反復實驗篩選，最終設計出導線線徑為0.5mm的外部絕緣銅線繞成的直徑為4cm的螺旋式線圈，實測磁共振頻率為136kHz時充電效果最為理想［7］有效距離可達10cm。2硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)主要包括控制部分和驅動部分?？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。驅動部分包括電源、ZVS、PWM電子開關、2.4G接收模塊、無線充電發(fā)射等模塊。整體結構如圖3所示。圖3整體結構圖邏輯控制部分設計邏輯控制部分由電源電路和主控電路兩個部分組成，主要作用為實時采樣監(jiān)測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)送給硬件驅動電路，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計電源電路的作用為將感應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IC芯片的鋰電池保護電路，進一步保證了電池充電的穩(wěn)定性。該部分自主設計的電路圖如圖5所示。圖5電源電路主控電路設計主控電路的作用為將采集到的電池電量信息做出相應的反饋。主控ARM芯片連接AD和2.4G等外設，AD實時監(jiān)測鋰電池電量情況，并及時將信息反饋給主控芯片。當電池電量低于自己預先設定的預警值時，主控芯片內(nèi)部算法就會發(fā)出充電信息，通過外設連接的2.4G模塊，將信號經(jīng)無線通信傳送至外部充電設備，使其開啟PWM電子開關，對電池進行無線充電；同理，當電池電量高于預設的電壓值時，主控芯片就會發(fā)出斷電信號及時將充電斷開，從而避免了電池過充保證了電池正常充放電。該部分結構和自主設計電路［8］如圖6所示。圖6主控電路2.3硬件驅動部分設計硬件驅動部分的主要作用是對主控板進行外部無線充電。該部分硬件電路連接可分為充電電路和控制電路兩個部分，充電電路的工作原理為由220V轉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模塊將直流電轉換為交流電提供給發(fā)射線圈產(chǎn)生變化的磁場，使其與接收線圈之間發(fā)生磁共振式感應進而實現(xiàn)無線充電?？刂齐娐返墓ぷ髟頌?.4G接收模塊的充放電信號輸入給外部ARM主控板使之產(chǎn)生控制PWM電子開關工作的高低電平，進而控制充電電路的工作，實現(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硬件驅動部分工作流程圖軟件系統(tǒng)設計軟件系統(tǒng)構架本作品的軟件構架［9］可分為設備驅動層和系統(tǒng)調用層兩個部分。設備驅動程序主要負責初始化AD、SPI、GPIO等基本外設，系統(tǒng)調用層主要負責具體的功能設計，給模塊加入指定功能。軟件系統(tǒng)構架如圖8所示。圖8軟件系統(tǒng)構架框圖設備驅動層設計此部分設計主要完成以下三個功能：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。讀取程序控制模塊中正在輸入和輸出的控制信號的信息；3） 用于數(shù)據(jù)保存。主要為硬件數(shù)據(jù)的保存，以便設備在使用時出現(xiàn)故障能夠及時恢復。電池管理模塊與充電管理模塊的ARM主控板通過2.4G無線通信進行智能連接，ARM驅動程序流程框圖如圖9所示。圖9軟件驅動層程序框圖系統(tǒng)調用層設計系統(tǒng)調用層［10］的功能設計主要需要完成兩個功能，一是通過調用ST官方函數(shù)庫中的AD、SPI函數(shù)用來控制ARM核，從而實現(xiàn)AD數(shù)據(jù)采樣和SPI實時通信等功能，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)的設計要求。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”，可以隨時充電，但必須嚴格按照其自身特性曲線工作才能達到良好的性能。鋰電池充電對充電電壓精密度要求較高，當充電電壓比額定電壓小0.1V時會導致充電不足，大于0.1V時又會影響其安全性能［11］。正是由于鋰電池獨特的充電性質，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）分級定電流充電法三種。本部分采用對分級定電流充電法進行模擬與實際自主設計的無線充電性能進行對比，用來檢測設計系統(tǒng)性能的好壞4.2.1等效模型建立由于鋰電池內(nèi)部的電化學反應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為等效負載電阻，RL=10Q,帶入數(shù)據(jù)，?。篊2=10pF(8)電路仿真用PSPICE軟件對等效電路進行閉環(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電路仿真圖實測充電數(shù)據(jù)對比為檢驗本系統(tǒng)充電效果，在充電過程取樣十個點的電壓電流值，與模擬曲線對比，實測數(shù)據(jù)如表2。表2組別12345678910實測(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系曲線可知，當鋰電池的電壓小于3.7V時，對電池以0.4A的電流進行恒流充電，電池電壓會緩慢增加到額定電壓，當電池電壓達到3.7V時就會對電池進行恒壓充電，此時充電電流就會緩慢下降。理論分析、仿真結果、實際檢測三者基本一致，實驗誤差很小。由數(shù)據(jù)分析也進一步驗證了本系統(tǒng)充電的有效性和高效性。實驗測試結果與產(chǎn)品性能分析本智能無線充電系統(tǒng)設計流程為：社會現(xiàn)象—設計思想—理論設計—電路仿真—硬件連接—軟件聯(lián)調—性能測試。在測試方面遵循從單元測試到集成測試再到系統(tǒng)測試的思路。5.1硬件模塊測試與性能分析底層的硬件電路測試包括對磁共振式無線充電的性能測試、充電電路測試、控制電路測試及電池的充電性能測試。本設計采用磁共振式無線充電方式，并自主設計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使電能傳輸效率大大提高，經(jīng)實測，本設計的無線充電距離可達10cm，充電效率可達75%左右；充電電路采用分模塊測試方法，將各模塊工作狀態(tài)單獨測試性能并逐個優(yōu)化，使電路整體工作性能達到最佳；控制電路測試主要測試其需要實現(xiàn)的功能是否實際有效，通過多次接通低電量和滿電量的鋰電池接入充電系統(tǒng)，控制電路都會及時做出對應的充電和斷電操作，滿足性能要求；驗證鋰電池續(xù)航能力，經(jīng)過多次測試，選用鋰電池的充放電曲線都符合圖8仿真圖，能夠得到預期的充電效果。軟件模塊測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驅動編程設計?，F(xiàn)階段各模塊的軟件測試都是黑盒測試，以輸入輸出是否達標為檢測標準，對整體軟件架構的可行性做實踐測試，程序健壯性和安全性暫不作為主要測試目標。將軟件設計程序移植到ST同系列開發(fā)板上測試功能，可以得到相同的驗證效果，從而檢測了軟件部分的可行性。系統(tǒng)測試與性能分析硬件和軟件模塊測試完成后進行產(chǎn)品實際性能測試，現(xiàn)從以下幾個方面進行測試用來分析設計系統(tǒng)的性能：1） 整個設備可以續(xù)航工作兩天一主控芯片采用STM32L低功耗芯片一設計系統(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—設計系統(tǒng)具有較高轉換效率的性能。3） 在電池電量低于最低預警值時能夠自動進行無線充電，在電池電量高于預設值時充電自動斷掉一采用ARM芯片控制用AD實時采樣電量信息通過2.4G模塊進行無線通信—設計系統(tǒng)具有能夠對充電設備充放電進行智能管理的性能。結語經(jīng)過多次實驗、調試、改良，本系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)對無線充電進行智能管理。在性能上，經(jīng)過實驗實測充電效率實際可高達75%