《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于優(yōu)先級(jí)的諧振式無線充電研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
劉 璐1,，郝 鵬2，劉維亭1,，俞玲娜1
1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.鎮(zhèn)江博聯(lián)電子科技有限公司,，江蘇 鎮(zhèn)江212001
摘要： 無線充電研究中,，多個(gè)電子設(shè)備同時(shí)進(jìn)行充電場(chǎng)景已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。然而電子設(shè)備的設(shè)備類型,、功率要求和充電時(shí)間不同,，設(shè)備的充電需求則不同，同時(shí)充電就會(huì)影響到無線充電的充電效率,?？紤]諧振式無線充電多設(shè)備場(chǎng)景，提出一種基于多參數(shù)的無線充電優(yōu)先級(jí)算法,，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的充電系統(tǒng)效率,。該算法涉及的參數(shù)包括：電池容量、實(shí)時(shí)殘余電量,、實(shí)時(shí)充電距離,、負(fù)載，以及用戶對(duì)充電優(yōu)先的主觀系數(shù)（時(shí)間優(yōu)先或功率優(yōu)先）等,。這些參數(shù)較為全面的涵蓋了無線充電過程,。仿真結(jié)果表明，相比于無優(yōu)先級(jí)無線充電,，提出的方法可以使得充電效率提高20%左右,。
中圖分類號(hào)： TM724
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.038
中文引用格式： 劉璐，郝鵬,，劉維亭,，等. 基于優(yōu)先級(jí)的諧振式無線充電研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(4)：149-152,，156.
英文引用格式： Liu Lu，Hao Peng,，Liu Weiting,，et al. The research of magnetic resonant wireless charging based on priority[J].Application of Electronic Technique，2017,，43(4)：149-152,，156.
The research of magnetic resonant wireless charging based on priority
Liu Lu1，Hao Peng2,，Liu Weiting1,，Yu Lingna1
1.Department of Electronic and Information，Jiangsu University of Science and Technology,，Zhenjiang 212003,，China； 2.Zhenjiang BigLink Co.Ltd.,，Zhenjiang 212001,，China
Abstract： The scenarios of charging multiple electronic devices simultaneously have been received more attention in wireless research. However, these electronic devices may have different charging requirements, due to the device type, power requirement and charging time. Simultaneous charging can affect wireless charging efficiency. In this paper, considering the scenario of multiple devices in resonant wireless charging, we propose a priority algorithm based on many parameters in order to achieve better charging system efficiency. The parameters involved in the algorithm are: battery capacity, real-time residual battery, real-time charging distance, load, charging priority subjective factor of the user(time or power preference), which have a good coverage of wireless charging process. Compared with the wireless charging with no priority, the simulation results illustrate that the method in this paper has increased about 20%.
Key words : wireless charging；magnetic resonance,；priority,；charging efficiency

0 引言

    隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)品的耗電量越來越大,。在電池本身技術(shù)短期內(nèi)無法取得重大突破的前提下,，無線充電技術(shù)成為一種可行且便利的解決方式。目前,，磁感應(yīng)式和電磁諧振式無線充電受到廣泛關(guān)注[1-3],。相比于磁感應(yīng)式無線充電，電磁諧振式不僅可以進(jìn)行中短距離的充電,，還能支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電,，且充電功率也有很大提升[4-6]。

    無線充電區(qū)域內(nèi)可能存在多個(gè)不同種類的待充電設(shè)備,，這些設(shè)備往往同時(shí)充電[7],。每個(gè)設(shè)備理論上能獲得均等的充電機(jī)會(huì)，但當(dāng)接收端類型各異時(shí),，發(fā)射端往往無法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行無線供電,，因此想要提高無線充電效率，有必要在充電之前或充電過程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序[8-10]。本文基于電磁諧振式無線充電原理,，考慮多設(shè)備同時(shí)充電場(chǎng)景,，提出一種優(yōu)先級(jí)算法。該算法可以有效地優(yōu)化一對(duì)多無線充電,，提高充電效率,。

1 場(chǎng)景理論分析

1.1 系統(tǒng)模型

    首先，假設(shè)在一定范圍內(nèi)的設(shè)備才能被充電,。其次,，發(fā)射端線圈和接收端線圈在充電范圍內(nèi)相互平行。無線充電功能模型如圖1所示,。接收端通過藍(lán)牙將信息反饋給發(fā)射端,。本文中，藍(lán)牙的工作范圍大于充電范圍,，且藍(lán)牙設(shè)備均運(yùn)行良好,。

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    圖1中，采集器實(shí)時(shí)采集接收端的信息,，優(yōu)先級(jí)計(jì)算單元根據(jù)采集結(jié)果實(shí)時(shí)更新充電優(yōu)先級(jí)并控制充電,，使充電優(yōu)先級(jí)的計(jì)算和更新與環(huán)境的實(shí)時(shí)變化密切地聯(lián)系起來。

1.2 諧振式無線充電

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2 優(yōu)先級(jí)算法

    優(yōu)先級(jí)算法的主要目的是減少充電時(shí)間,、提高充電效率等,。本文所提出的優(yōu)先級(jí)是一種動(dòng)態(tài)過程，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)最先得到執(zhí)行,；每當(dāng)有新設(shè)備需要充電時(shí),，也會(huì)根據(jù)所有設(shè)備的情況重新分配優(yōu)先級(jí)。

    充電范圍內(nèi)的設(shè)備有充電和待充電兩種狀態(tài),。當(dāng)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)最高或充電范圍內(nèi)僅有一個(gè)設(shè)備時(shí),，該設(shè)備處于充電狀態(tài)，而其他設(shè)備則處于待充電狀態(tài),。當(dāng)設(shè)備處于待充電狀態(tài)時(shí),，接收端線圈電路斷開，設(shè)備完全不會(huì)被充電也不會(huì)與其他接收端線圈發(fā)生耦合,。當(dāng)設(shè)備充滿電后,，設(shè)備的狀態(tài)切換至待充電狀態(tài)。

    本文提出一種基于多參數(shù)的優(yōu)先級(jí)算法,，該算法的基本思想如下：

    (1)無線充電范圍內(nèi)的設(shè)備能參與優(yōu)先級(jí)判斷,；

    (2)充電時(shí)間相對(duì)短的設(shè)備可以被優(yōu)先充電；

    (3)小功率要求的設(shè)備(即負(fù)載功率小的設(shè)備)優(yōu)先級(jí)高,，可以被優(yōu)先充電,；

    (4)離發(fā)射端線圈相對(duì)近的設(shè)備優(yōu)先級(jí)較高。

    本文的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)如式(2)所示。

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    式中,，p為優(yōu)先級(jí),，d為接收端與發(fā)射端之間的距離，dy1-gs2-x3.gif為設(shè)備的負(fù)載功率(功率要求),，T為充電時(shí)間,，dy1-gs2-x1.gif其中PTX為發(fā)射端功率，B為設(shè)備的殘余電量,，C為設(shè)備的電池容量（單位為Wh）。式(2)中r(r∈[0,，1])為主觀系數(shù),，即參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響比重，由用戶決定,。r<0.5時(shí)功率要求對(duì)系統(tǒng)影響大,，功率要求優(yōu)先，反之充電時(shí)間優(yōu)先,。換言之,，r=0.5是用戶決定充電時(shí)間優(yōu)先還是功率要求優(yōu)先的臨界值。

    優(yōu)先級(jí)算法的流程圖如圖3所示,。圖中pn是不同設(shè)備的優(yōu)先級(jí),。當(dāng)pn相同時(shí)，需根據(jù)主觀系數(shù)r來進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷,。圖3中Tmin和dy1-t3-x1.gif分別表示充電時(shí)間少和負(fù)載功率小的設(shè)備,，其中pn max=pn(Tmin)表示充電時(shí)間少的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高，同理dy1-gs2-x2.gif表示負(fù)載功率小的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高,。

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    根據(jù)電磁諧振電路原理圖(圖2),，加入優(yōu)先級(jí)算法的充電效率如式(3)所示。

    dy1-gs3.gif

    相比于式(1),，對(duì)接收端依次充電可以提高整個(gè)充電系統(tǒng)的充電效率,。

3 仿真分析

    本文針對(duì)圖1所示的無線充電系統(tǒng)功能模型，對(duì)不同接收端進(jìn)行優(yōu)先級(jí)算法仿真,。假設(shè)發(fā)射端功率PTX為20 W,，對(duì)以下5種情況進(jìn)行仿真分析。

3.1 充電時(shí)間

    充電時(shí)間在充電系統(tǒng)中是人們最關(guān)注的因素之一,。充電時(shí)間取決于電子設(shè)備的電池容量,、殘余電量和發(fā)射端功率等，如式(3)所示,。

    假設(shè)充電區(qū)域內(nèi)有三個(gè)不同電池容量的設(shè)備,，分別為3 Wh、15 Wh和30 Wh；三個(gè)設(shè)備的負(fù)載功率相同,，均為5 W,；離發(fā)射端的距離均為5 cm。主觀系數(shù)r為0.5時(shí),，優(yōu)先級(jí)與殘余電量的關(guān)系圖如圖4所示,。由圖知，電池容量越小,，殘余電量越少的設(shè)備優(yōu)先級(jí)越高,，即充電時(shí)間越短的設(shè)備優(yōu)先級(jí)越高，可以被優(yōu)先充電,。

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3.2 負(fù)載功率

    負(fù)載功率是設(shè)備本身消耗的電功率,，即設(shè)備的功率要求和能量需求，負(fù)載功率在充電系統(tǒng)中是一個(gè)關(guān)鍵因素,。

    假設(shè)有三個(gè)負(fù)載功率不同的設(shè)備,，兩個(gè)設(shè)備的負(fù)載功率固定，為5 W和10 W,，另一個(gè)設(shè)備負(fù)載功率在變化,；充電時(shí)間相同，電池容量為3 Wh,，殘余電量為10%,；充電距離均為5 cm。主觀系數(shù)r為0.5時(shí),，優(yōu)先級(jí)與負(fù)載功率的關(guān)系圖如圖5所示,。

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    由圖知，對(duì)于負(fù)載功率變化的設(shè)備,，負(fù)載功率越小,，優(yōu)先級(jí)越高，因其需要的能量少,；對(duì)于負(fù)載功率固定的設(shè)備,，優(yōu)先級(jí)隨著負(fù)載功率的增加而增加，因三個(gè)設(shè)備的負(fù)載功率和dy1-t5-x1.gif在增加,。負(fù)載功率固定的兩設(shè)備優(yōu)先級(jí)隨負(fù)載功率的增加呈直線上升,，且上升的幅度不一致，負(fù)載功率為5 W的設(shè)備能量需求少,，故優(yōu)先級(jí)增加的幅度大,。設(shè)備的負(fù)載功率在變化的過程中優(yōu)先級(jí)在不斷地變化，三條曲線相交于P1和P2點(diǎn)處,，負(fù)載功率大于10 W(P2右端)時(shí)優(yōu)先級(jí)最低,，小于5 W(P1左端)時(shí)優(yōu)先級(jí)最高,，反之介于兩者之間，負(fù)載功率相同,，優(yōu)先級(jí)相同,，即圖5中的P1和P2點(diǎn)。

3.3 充電距離和主觀系數(shù)

    在無線充電中,，電子設(shè)備與發(fā)射端之間的距離起著重要的作用,。假設(shè)有三個(gè)不同的設(shè)備，充電時(shí)間和功率要求各不相同,。三個(gè)設(shè)備的電池容量均為10 Wh,，殘余電量分別為10%、80%和10%,，負(fù)載功率分別為5 W,、5 W和20 W。主觀系數(shù)r取不同值,，優(yōu)先級(jí)與充電距離的關(guān)系如圖6所示。

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    由圖知,，接收端設(shè)備離發(fā)射端越近,，優(yōu)先級(jí)越高，與設(shè)備的充電時(shí)間和功率要求無關(guān),，也不隨主觀系數(shù)變化,。

    主觀系數(shù)r取不同值時(shí)，三個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)各不相同,，主觀系數(shù)r決定充電優(yōu)先（充電時(shí)間優(yōu)先或功率要求優(yōu)先）,，由用戶主觀決定。圖6中,，主觀系數(shù)r的大小對(duì)設(shè)備的充電優(yōu)先級(jí)影響很大,，如左上r為0.1時(shí)的圖，殘余電量為10%的設(shè)備充電時(shí)間少,，理論上應(yīng)比殘余電量為80%的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高,，但用戶注重功率要求，故殘余電量為80%的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高,，因其負(fù)載功率小,，功率要求低；當(dāng)r為0.9時(shí),，如右下圖所示,，殘余電量為10%的兩個(gè)設(shè)備，即使兩設(shè)備的負(fù)載功率不同,，優(yōu)先充電的等級(jí)卻相同,，因?yàn)橛脩糇⒅爻潆姇r(shí)間,，功率要求對(duì)用戶來說不太重要，故負(fù)載功率不同殘余電量相同的兩設(shè)備優(yōu)先級(jí)相同,；主觀系數(shù)r增加時(shí),，雖然負(fù)載功率為20 W的設(shè)備功率要求大，能量需求多,，但該設(shè)備優(yōu)先級(jí)仍然隨之增加,，因用戶越來越注重充電時(shí)間，該設(shè)備的殘余電量?jī)H為10%,，充電時(shí)間相對(duì)短,，故該設(shè)備的優(yōu)先級(jí)隨著主觀系數(shù)r的增加而增加。

3.4 時(shí)間

    充電時(shí)間是充電開始到充電結(jié)束的時(shí)間間隔,，優(yōu)先級(jí)在這段時(shí)間間隔內(nèi)隨時(shí)間的變化而變化,。

    假設(shè)三個(gè)設(shè)備的充電距離相同，充電時(shí)間不同,，電池容量均為10 Wh,，殘余電量分別為40%、60%和50%,；功率要求不同,，負(fù)載功率分別為3 W、6 W和10 W,。主觀系數(shù)r為0.5,，隨著時(shí)間的變化，三個(gè)不同設(shè)備的充電優(yōu)先級(jí)如圖7所示,。

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    發(fā)射端根據(jù)優(yōu)先級(jí)排序?qū)υO(shè)備依次進(jìn)行充電,，設(shè)備1因優(yōu)先級(jí)最高而被優(yōu)先充電，處于充電狀態(tài),，此時(shí)設(shè)備2和3處于待充電狀態(tài),。在充電過程中設(shè)備1的優(yōu)先級(jí)在不斷的提高，因充電時(shí)間減少,，功率要求降低,。設(shè)備1充滿電后切換至待充電狀態(tài)，設(shè)備2和3根據(jù)優(yōu)先級(jí)依次充電,。設(shè)備充滿電后不參與優(yōu)先級(jí)判斷,，參與優(yōu)先級(jí)判斷的設(shè)備負(fù)載功率和dy1-t7-x1.gif減少，故優(yōu)先級(jí)會(huì)有稍許降低,。

3.5 有無優(yōu)先級(jí)間的比較

    根據(jù)式(1)和式(4)對(duì)系統(tǒng)有無優(yōu)先級(jí)算法進(jìn)行仿真,，如圖8所示。從圖中看出,，相比于無優(yōu)先級(jí)算法的無線充電系統(tǒng),，加入優(yōu)先級(jí)算法使系統(tǒng)充電效率提高了20%,。

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4 結(jié)論

    本文基于電磁諧振式無線充電場(chǎng)景，通過優(yōu)先級(jí)的研究,，提出了一種混合型動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法,，并分析了優(yōu)先級(jí)對(duì)整個(gè)充電系統(tǒng)的影響。在算法中,，本文考慮了設(shè)備的充電時(shí)間,、負(fù)載功率、充電距離,、主觀系數(shù)和時(shí)間與優(yōu)先級(jí)的關(guān)系,，此外，還將有無優(yōu)先級(jí)算法對(duì)無線充電的充電效率進(jìn)行對(duì)比,。充電時(shí)間越短,，功率要求越小，充電距離越近的設(shè)備優(yōu)先級(jí)越高,，可以優(yōu)先充電,。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出的優(yōu)先級(jí)算法可以使得無線充電的效率大大提高。

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作者信息:

劉  璐1，郝  鵬2,，劉維亭1,，俞玲娜1

(1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003,；2.鎮(zhèn)江博聯(lián)電子科技有限公司,，江蘇 鎮(zhèn)江212001)

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