基于电磁共振的移动设备智能无线充电系统

《电气自动化｝２０１３年第３５卷第６期　ｊ十算机技术及其应甩　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　基于电磁共振的移动设备智能无线充电系统　孙爱程，刘长铕，Ｉ撒继铭　（１．武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉４３００７０；２．宽带无线通信与传感网络湖北省重点实验室，湖北武汉４３００７０）　摘要：无线充电是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，就能把电能无接触的传输给负载。提出一种基于电磁谐振式无　线电能传输的方案，应用射频识别技术构建一套全新的无线充电系统，以提高传输效率和减小电磁辐射，同时也提高传输的安　全性。　关键词：无线供电；电磁共振；智能充电；磁耦合；电能传输　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ・ｉｓｓｎ．１０００—３８８６．２０１３．０６．００６　［中图分类号］ＴＭ９１０．６［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１３）０６—００１４—０３　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｒ———————————、　ＳＵＮ　Ａｉ・ｃｈｅｎｇ，。ＬＩＵ　Ｃｈａｎｇ－ｙｏｕ＇］ＳＡ　Ｊｉ—ｍｉｎｇ　（１．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｗｉｒｅｌｅｓｓｌｙ　ｉｓ　ａ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｎｙ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａ　ｂｒａｎｄ　ｎｅｗ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｉｃｆｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ａｎｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｈａｒｇｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｈａｒｇｉｎｇ；ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｏ　引　言　传统的电力传输主要通过导线，在一般情况下合理有效，但　是装置的电池采用插头接触式充电方式，频繁的拔插会产生电火　花。近年来，随着ｉＰａｄ，ｉＰｈｏｎｅ等对电量充满“饥渴”的移动消费　电子产品的兴起，研发无线充电等突破性充电技术的需求日益提　高。目前市场的无线充电方式大多是采用ＱＩ协议的电磁感应方　式，这种方式距离远，功率小，不适合快速充电。　码，最后稳压输出至负载。　１．２发射部分　（１）驱动模块（见图２）　驱动模块完成丙类信号的放大。其中过零比较器将ＤＤＳ信　号源产生的正弦波变成方波，方波通过２４个并联的非门增强驱　动电流，驱动两个并联的场效应管。　（２）ＤＤＳ信号源模块　ＤＤＳ电路控制丙类功放电路产生大功率正弦信号，同时使正　接收端　－２００７年美国麻省理工大学在无线能量传输中引进共振技术　使在无线传输距离、效　率上有所突破　Ｊ。本　文结合电磁场等相关领　域理论研究的新成果，　提出了一个新型的无线　充电方案，并成功的制　发射端　，、’　　，ｌ　／＾、　ＡＯ／　驱　换　路　ＤＣ　．．　动　护　－　抗　转　电　—＋　电　＿＿匹　路　配　保　阻　发　空问磁共振　射　ｒ　线　圈　接　ｊ　收　Ｃ／　抗　匹　．－ｐ　转　压　０Ｃ阻　＿．　稳　能馈传输　圈　配　换　作出了这一实物原型。　１系统硬件设计　１．１系统原理框图　系统原理框图如图　１所示，其由发射与接　Ｈ　、　图１原理框图　网　弦信号的频率与线圈共振的频率相同，然后经过过零比较器输出　方波，加载在发射线圈上。本设计中使用ＡＤ９８５０。　收两部分组成。发射端主要由ＡＤ／ＤＣ转换器、驱动电路、保护电　路、阻抗匹配、发射线圈以及ＲＦＩＤ与ＤＤＳ模块组成。接收端则　先进行阻抗匹配以使信号强度达到最大，然后再由ＡＤ／ＤＣ反解　收稿日期：２０１３—０４—１６　１　４　ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｉ场效应管ｌ厂—］　　Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．．　图２驱动模块原理框图　计算机技术及其应用　３实验分析与结果　皇　皇　！竺　！兰竺！　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　（３）ＲＦＩＤ识别模块　本系统采用ＲＦＩＤ技术来识别防止因误加热充电器以外的　金属等而发生危险。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣　环境。ＲＦＩＤ技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，　操作快捷方便。其工作原理框图如图３所示。　在本ＲＦＩＤ识别系统中，　读写器通过发射天线发送一　定频率的射频信号，当标签　进入发射天线工作区域时接　收到ＲＦ载波，产生感应电　流，标签获得能量被激活，将　自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接　图３　ＲＦＩＤ工作原理框图　根据磁耦合共振无线能量传输机理，系统谐振频率是影响传　输距离的最直接因素　，谐振频率越高，电流的变化率就越大，　发射的磁场就越强，传输的距离相应就越远。但是当线圈固有频　率较高时，粗导线线圈会受到趋肤效应的影响，而使导线的利用　率降低，传输效率降低。因此，我们必须要考虑趋肤效应对传输　距离的影响。　为了实验　的可对比性，　图６所示为在　整个实验过程　中只对一对发　射接收线圈进　￡　收到从标签发来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写　器对接收的信号进行解调和解码然后送到ＳＴＭ３２主系统进行相　关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，从而决定是否　对该卡进行充电。　行调频，使发　射接收线圈达　到谐振状态，　ｌ－３接收部分　接收部分原理　图如图４所示。接　收电路主要由整流　此时，接收端　电压与信号驱　动频率关系。　将发射线圈发　射电压调整到　图４接收部分原理图　１５　Ｖ，线圈参数　如表１所示，线　图６调谐频率与传输距离关系图　部分和稳压部分组　成。接收电路采用　全桥整流电路。二　极管选用肖特基二极管ＭＢＲ２０１００，该二极管导通压降为０．３　Ｖ，　圈固有频率为１　０６３　ｋＨｚ，固定　最高整流频率为３０　ＭＨｚ。稳压电路采用开关电源芯片ＬＭ２５７７　和ＬＭ２５９６完成稳压。输入电压先经ＬＭ２５７７升压至４Ｏ　Ｖ，然后　经ＬＭ２５９６降压至设定的输出电压。　发射线圈和接　收线圈之间距　离为１１　ｃｍ，然　图７系统测试图　２系统软件设计　系统流程图如　图５所示。首先进入＜　）　后将输入信号　区　验数据记录如表１所示。　频率，以及线圈同时进行调频，每隔１　ＭＨｚ记录一次传输距离，实　待机模式，发送端开始探寻待充电设备，　若探寻成功，则探测　对方ＩＤ，初步认证是　否为有效的可充电　表１接收端电压与驱动频率关系表　映　ＭＣＵ　主　韵无Ｋ　，±　合法　移动设备，若为有效　设备，则发送端检测　充电产品信息，对产　品信息进行进一步　认证。然后发送端　些　签隧塑蕉　若长时问未凌到　则进入抻电状态　　ｌ执行矧应功能，如　Ｉ馥卡弓、存储数据等　图５系统软件流程图　进人工作模式，根据接收到的产品信息给待充电设备充电，将发　送端电源提供的直流电通过谐振变换器转换为高频交流信号，使　发射线圈在周围一定距离的空问范围内产生磁场很小，但高频变　化很大的电磁场。接收端线圈位于这个电磁场中时，发射线圈磁　通量的高频变化在接收线圈中产生～定幅值的高频感应电动势。　图７所示为系统测试图，图中左边负载为一额定电压为１２　Ｖ　的灯泡，从图中可以看到，灯泡完全正常工作。连续测试１Ｏ小时　后，系统仍然能够正常工作，足以证明我们系统的可靠性。　通过加在接收线圈端的桥式整流及电容滤波电路，就可以为可充　电电池提供直流供电输出，从而实现了电能的无线传输。　４　结束语　本文提出了一套基于磁耦合共振技术的无线电能传输的解　决方案。该技术通过磁场的近场耦合，使接收线圈和发射线圈产　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　１　５　《电气自动化）２０１３年第３５卷第６期　ｊ千算机技术及其应甩　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　生共振，来实现能量的尤线传输，由于该技术实现能量传输的基　本原理是共振，只有谐振频率相同的谐振体才会受到影响，而人　ｖｉａ　Ｓｔｒｏｎｇｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ．”［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，３１７　（１）：８３—８６．　［３］Ａｒｉｓｔｅｉｄｉｓ　Ｋａｒａｌｉｓ，Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，ａｎｄ　Ｍａｒｉｎ　Ｓｏｌｊａｃｉｃ．“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｏｎ．Ｒａｄｉａｔｉｖｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ”．ＵＳ８０２２５７６Ｂ２『Ｐ］．２０１　１一Ｏ９—２Ｏ．　体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会受到任何危害，充　分体现了其非辐射性的优势。实验测得系统最远距离能超过　ｆ　４］Ｃ．Ｔｏｍａｓｓｏｎｉ，　Ｍ．　Ｍｏｎｇｉａｒｄｏ，Ｐ．　Ｒｕｓｓｅｒ．　Ｒ．　Ｓｏｒｒｅｎｔｉｎｏ，　“ＲｉｇｏｒｏｕｓＣｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏａｘｉａｌ／Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　ｗｉｔｈ　１　ｍ。此外，本系统把ＲＦＩＤ认证技术应用于无线能量传输上，提　高无线供电的安全性。采用ＲＦＩＤ技术来识别防止因误加热充　电设备以外的金属等而发生危险。另外，无线充电系统可根据各　终端的种类改变性能指标，以应对因终端不同而异的供电电压、　电流及极性。该系统具有很大的潜在商用价值。　参考文献：　［１］Ｈａｍａｎ，Ｒａｆｉｆ　Ｅ，Ｋａｒａｌｉｓ，Ａｒｉｓｔｅｉｄｉｓ，Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊｏｈｎ　Ｄ．“Ｅｆｉｃｆｉｅｎｔ　Ｎｅａｒ－Ｆｉｅｌｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｕｓｉｎｇ　Ａｄｉａｂａｔｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ．”　Ｓｅｍｉ－Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｄｉｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｌａｙｅｒｓ［ｃ］．ＵＳＡ，ＭＴＦ－Ｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００８．　［５］张雪松，朱超甫，李忠富．基于微带天线的能量传输技术及其性能研　究［Ｊ］．电子与信息学报，２００７，２９（１）：２３２—２３５．　［６］武瑛，严陆光，徐善纲．新型无接触电能传输系统的稳定性分析［Ｊ］．　中国电机工程学报，２００４，２４（５）：６３—６６．　ＵＳ　２０１００１４８５８９Ａ１［Ｐ］，２０１０，０６—１７．　ｆ　２　１　Ａｎｄｒ￣Ｋｕｒｓ．Ａｒｉｓｔｅｉｄｉｓ　Ｋａｒａｌｔｓ．Ｒｏｂｅｒｔ　Ｍｏｆｆａｔｔ．“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　荐蓉繁曩　向：宽带无线通信与传感网络技术及其性能研究　寰　凳　（上接第２页）　态，提高的系统的动　态性能和静态性能，　增强的系统的鲁棒　性。另外，在利用粒　，ＴＡＥ＝ｌ　ｔ　Ｉ　ｅ（ｔ）Ｉｄｔ　最大迭代次数为　１００，最小适应值为　０．１，速度范围为　［一１，１］，３个待优　化参数ｋ。，ｋ　，ｋｄ范　围均为［０，１０］。　（１）取ｋ。＝６．　０，ｋｊ＝０．８，ｋｄ＝０．２　子群算法对参数进　行优化时，如果将搜　索范围扩大到［０，　３００］，我们得到另　一组优化参数：　＝　图６参数优化系统仿真曲线　１６６．２５８　４，　＝２９４．　０３５　１，　＝１．２４２　８，　（经验值），则常规　的ＰＩＤ控制下系统　的仿真结果如图３　所示。　图４基于卡尔曼滤波的ＰＩＤ阶跃响应　可以进一步提高控　制器的控制品质，使上升时间更短，且使系统进入的稳态时间缩　短了约５０％，快速达到目标值，仿真结果如图６。　图中ｒ，Ｙ为无　５　结束语　本文提出基于粒子群算法和卡尔曼滤波器的ＰＩＤ控制方法，　因次量，其中Ｙ为实　际值，ｒ为阶跃值，　且ｒ＝１。横轴为时　间轴，单位为ｓ；纵　轴为数值轴，以下　（图４及图６）相同。　（２）基于Ｒ．Ｅ　有效地解决了ＰＩＤ控制系统中参数的整定以及控制干扰信号和测　量噪声信号问题，提高了系统的抗干扰能力和控制品质。仿真结果　表明这种控制方法能使系统各项指标有了明显的提高，尤其是超调　量有了明显的减少，缩短上升时间。该方法有一定的实用价值。　参考文献：　［１］史峰，王辉，胡斐，等．ＭＡＴＬＡＢ智能算法３０个案例分析［Ｍ］．北京：　ｊＥ京航空航天大学出版社，２０１２：１３０—１３１．　［２］许国根，贾瑛．模式识别与智能计算的ＭＡＴＬＡＢ实现［Ｍ］．北京：北　京航空航天大学出版社。２０１２：２１　１—２１２．　［３］杨淑莹．模式识别与智能计算——ＭＡＴＬＡＢ技术实现［Ｍ］．北京：电　子工业出版社，２０１１：３４５—３４７．．　［４］刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　２０１１：６４—６５．　Ｋａｌｍａｎ—ＰＩＤ控制　图５仿真结果比较图　系统的仿真结果如　Ｆ图４。　（３）经粒子群算法优化后得到的参数为ｋ　＝９．３０７　１；　＝　９．６８０　８；ｋ　＝０．４７７　０。基于Ｒ．Ｅ　Ｋａｌｍａｎ－ＰＳＯ　ＰＩＤ的系统仿真结　果与基于Ｒ．Ｅ　Ｋａｌｍａｎ－ＰＩＤ的系统仿真结果比较如图５所示。　４．２仿真结果分析　比较图３与图４，可以看出，采用卡尔曼滤波的ＰＩＤ控制，可　［５］胖永新，金迪，盂宪东．球杆系统的建模、仿真与控制器设计［Ｊ］．武　汉大学学报（工学版），２００５，３８（６）：１４２—１４６．　［６］谢新月，廉凤慧，于亦凡．卡尔曼滤波器在ＰＩＤ控制器中的应用研究　［Ｊ］．工程与试验，２００９，４９（３）：１６一ｌ８．　以得到稳定的系统输出，能够显著地减小噪声的影响。图５表明　经粒子群优化算法和　尔盟滤波箅法的ＰＩＤ控制除了能够效抑　制噪声对系统稳定性造成的不利彤响外，还能够能够有效减少系　统的峰值时间，减小矮荡次数和超调蹙，使系统快速达到稳定状　１　６　Ｅｌｅｃｔｒｌｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　【作者简介】王江荣（１９６６一）。男，甘肃静宁人，硕士，教授。主要从事模　糊、神经网络、数值计算和控制理论与应用方面的研究．　李东旭　（１９９２一），男。甘肃兰州人现在在电子科技大学生命与技术专业学习。