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(1.湖北大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院， 武漢 430000； 2.中糧糖業(yè)遼寧有限公司,遼寧 營口 115000)

0 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(shè)計了一種轉(zhuǎn)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(shè)計

1.1 總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)分為充電設(shè)備和電池設(shè)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(shè)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2.4 G通信模塊作為外設(shè)，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(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 模塊方案選型

1.2.1 供電電池選型

目前主流的供電電池有:1)普通化學(xué)干電池，更換方便但容量小，不能反復(fù)使用；2)紐扣電池，體積小但不可反復(fù)使用，報廢污染環(huán)境；3)鋰電池，容量合適，可反復(fù)使用，且體積小，環(huán)保；通過多次實驗反復(fù)對比論證，最終選擇可反復(fù)充電的3.7 V鋰電池[1]為供電源。

1.2.2 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(shè)計的電路圖在硬件部分設(shè)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2.4 G通信模塊輸出，控制電路設(shè)計及編程思路在后面給出。

表1

1.2.3 電源模塊選型

充電設(shè)備的電力由220 V轉(zhuǎn)15 V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)榻涣麟姡ㄟ^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。

1.2.4 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2.4 G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。

1.2.5 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(jié)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(shè)計和實驗驗證，根據(jù)理論框圖設(shè)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

1)供電電池：經(jīng)過市場調(diào)研和實驗測試，最終選擇容量為2000 mAh的3.7 V可自由充放電達到上千次的聚合物鋰電池作為供電電池。

2)ARM控制芯片：采用ARMv6M的Cortex M0平臺的STM32L073，具有超低功耗、操作簡便等特點，廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域，符合本產(chǎn)品的要求，實現(xiàn)低功耗。

3)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(zhuǎn)換成交流信號后傳輸給無線充電模塊。

4)PWM電子開關(guān)：PWM電子開關(guān)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]。

5)2.4 G無線傳輸模塊：采用NRF24L01+模塊設(shè)計，射頻芯片為BK2425，內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)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。

6)AD模塊：采用超小型16位4通道ADS1115精密模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計電路。

7)無線充電線圈設(shè)計：經(jīng)過反復(fù)實驗篩選，最終設(shè)計出導(dǎo)線線徑為0.5 mm的外部絕緣銅線繞成的直徑為4 cm的螺旋式線圈，實測磁共振頻率為136 kHz時充電效果最為理想[7]有效距離可達10 cm。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)主要包括控制部分和驅(qū)動部分?？刂撇糠忠訟RM為核心，包括由ARM控制的AD和2.4 G發(fā)送模塊。驅(qū)動部分包括電源、ZVS、PWM電子開關(guān)、2.4 G接收模塊、無線充電發(fā)射等模塊。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 邏輯控制部分設(shè)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2.4 G模塊發(fā)送給硬件驅(qū)動電路，其工作原理如圖4所示。

圖4 控制部分電路原理圖

2.2.1 電源電路設(shè)計

電源電路的作用為將感應(yīng)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3.7 V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(shè)計的電路圖如圖5所示。

圖5 電源電路

2.2.2 主控電路設(shè)計

主控電路的作用為將采集到的電池電量信息做出相應(yīng)的反饋。主控ARM芯片連接AD和2.4 G等外設(shè)，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(dāng)電池電量低于自己預(yù)先設(shè)定的預(yù)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(shè)連接的2.4 G模塊，將信號經(jīng)無線通信傳送至外部充電設(shè)備，使其開啟PWM電子開關(guān)，對電池進行無線充電；同理，當(dāng)電池電量高于預(yù)設(shè)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(jié)構(gòu)和自主設(shè)計電路[8]如圖6所示。

圖6 主控電路

2.3 硬件驅(qū)動部分設(shè)計

硬件驅(qū)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220 V轉(zhuǎn)15 V的電源適配器外接市電輸入，經(jīng)過降壓模塊得到5 V的工作電壓，再經(jīng)過ZVS模塊將直流電轉(zhuǎn)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(yīng)進而實現(xiàn)無線充電?？刂齐娐返墓ぷ髟頌?.4 G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(guān)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(qū)動部分工作流程圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)架

本作品的軟件構(gòu)架[9]可分為設(shè)備驅(qū)動層和系統(tǒng)調(diào)用層兩個部分。設(shè)備驅(qū)動程序主要負(fù)責(zé)初始化AD、SPI、GPIO等基本外設(shè)，系統(tǒng)調(diào)用層主要負(fù)責(zé)具體的功能設(shè)計，給模塊加入指定功能。軟件系統(tǒng)構(gòu)架如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)構(gòu)架框圖

3.2 設(shè)備驅(qū)動層設(shè)計

此部分設(shè)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(shè)備在使用時出現(xiàn)故障能夠及時恢復(fù)。

電池管理模塊與充電管理模塊的ARM主控板通過2.4 G無線通信進行智能連接，ARM驅(qū)動程序流程框圖如圖9所示。

圖9 軟件驅(qū)動層程序框圖

3.3 系統(tǒng)調(diào)用層設(shè)計

系統(tǒng)調(diào)用層[10]的功能設(shè)計主要需要完成兩個功能，一是通過調(diào)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(shè)計要求。

4 電池充電性能分析

4.1 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(yīng)”，可以隨時充電，但必須嚴(yán)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(dāng)充電電壓比額定電壓小0.1 V時會導(dǎo)致充電不足，大于0.1 V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(zhì)，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。

4.2 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(shè)計的無線充電性能進行對比，用來檢測設(shè)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(xué)反應(yīng)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

4.2.2 模型參數(shù)選擇

1)整流模塊M1采用MBIOS 0.5 A/1000 V SOP4模塊；

2)濾波電容C1：由下式可得:

(1)

其中:Po=2.5 W，Umax=311 V，Umin=310 V，η=50%，fAC=50 Hz，代入數(shù)據(jù)，取C1=200 μF；

3)穩(wěn)壓二極管D采用12 V的IN4742系列；

4)變壓器：功率為10 W，頻率為190 kHz；

5)SP型補償電容[12]:

Cp=19 nF，Cs=16 nF

(2)

6)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)

7)接收電路振流橋M2由IA/20 V的B5817W的二極管組成；

8)濾波電容C2：由:

(7)

其中:f=192.5 kHz(工作頻率)，RL為等效負(fù)載電阻，RL=10 Ω，帶入數(shù)據(jù)，取:

C2=10 μF

(8)

4.2.3 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

4.3 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

4.4 充電性能綜合探討

由模擬充電電壓和電流的關(guān)系曲線可知，當(dāng)鋰電池的電壓小于3.7 V時，對電池以0.4 A的電流進行恒流充電，電池電壓會緩慢增加到額定電壓，當(dāng)電池電壓達到3.7 V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(jié)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。

5 實驗測試結(jié)果與產(chǎn)品性能分析

本智能無線充電系統(tǒng)設(shè)計流程為：社會現(xiàn)象—設(shè)計思想—理論設(shè)計—電路仿真—硬件連接—軟件聯(lián)調(diào)—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(shè)計采用磁共振式無線充電方式，并自主設(shè)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(yīng)使電能傳輸效率大大提高，經(jīng)實測，本設(shè)計的無線充電距離可達10 cm，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(yīng)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(yù)期的充電效果。

5.2 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(qū)動編程設(shè)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(biāo)為檢測標(biāo)準(zhǔn)，對整體軟件架構(gòu)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(biāo)。將軟件設(shè)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。

5.3 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(shè)計系統(tǒng)的性能：

1)整個設(shè)備可以續(xù)航工作兩天—主控芯片采用STM32L低功耗芯片—設(shè)計系統(tǒng)具有低功耗和高續(xù)航性能。

2)充滿一塊容量為2 000 mAh的3.7 V鋰電池只需要150分鐘—采用磁共振式無線充電方式—設(shè)計系統(tǒng)具有較高轉(zhuǎn)換效率的性能。

3)在電池電量低于最低預(yù)警值時能夠自動進行無線充電，在電池電量高于預(yù)設(shè)值時充電自動斷掉—采用ARM芯片控制用AD實時采樣電量信息通過2.4 G模塊進行無線通信—設(shè)計系統(tǒng)具有能夠?qū)Τ潆娫O(shè)備充放電進行智能管理的性能。

6 結(jié)語

經(jīng)過多次實驗、調(diào)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%，一塊3.7 V的鋰電池充滿電需要150分鐘；在結(jié)構(gòu)上，可以做到3 cm*4 cm*5 cm大小，可以附著到大部分電器上為其供電；在用途上，可以用于小型家電、智能手表、智能醫(yī)療等方面。本產(chǎn)品在現(xiàn)有無線充電技術(shù)上加以改造和智能管理，使無線充電技術(shù)更趨于“智能化”，能為大眾生活帶來更有效更方便的享受，具有很好的社會前景！

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