|
隨著(zhù)用電設備對供電品質(zhì)的不斷提高，以及對特殊場(chǎng)合、特殊地理環(huán)境的供電，使得接觸式電能傳輸方式不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。近年來(lái)，有關(guān)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究不斷增多。 無(wú)線(xiàn)充電系統會(huì )發(fā)射電磁波能量，當發(fā)射器上沒(méi)有放充電裝置時(shí)也會(huì )發(fā)射能量，造成能源浪費和輻射污染。當發(fā)射器上放金屬異物，電磁波對其加熱，輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災。因此，無(wú)線(xiàn)充電系統需要具備對受電端目標物的辨識功能，當正確的目標物放置在發(fā)射器上才進(jìn)行充電。 常用的身份識別方法有：1)磁力激活，在受電端上裝一個(gè)磁鐵，當發(fā)射端感應到磁力后發(fā)送能量；2)通過(guò)射頻識別(RFID)加強電路安全；3)感應線(xiàn)圈上的資料傳送，利用原副線(xiàn)圈內的電力傳送，包含資料碼一起傳送，這種方法最安全也最難完成，因為感應線(xiàn)圈上有高能量的電力傳輸，另外還包含了系統的噪聲與負載電流變化的干擾，如何有效地傳送資料碼是一大難題。為此，在原邊電壓采樣電路的基礎上，設計了一種低頻的身份識別電路。 1 QI的無(wú)線(xiàn)充電通信標準 無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)標準下，無(wú)線(xiàn)傳輸的功耗僅為0～5W。達到這一標準范圍的系統在2個(gè)平面線(xiàn)圈之間使用電感耦合將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。原副線(xiàn)圈之間的距離一般為5mm，輸出電壓調節由一個(gè)全局數字控制環(huán)路負責，這時(shí)電力接收器會(huì )與電力發(fā)送器通信，并產(chǎn)生功耗。該通信是一種通過(guò)反向散射調制從電力接收器到電力發(fā)送器的單向通信。在反向散射調制中，電力接收器調整負載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。對這些電流變化進(jìn)行監控，并解調成2個(gè)設備協(xié)同工作所需的信息。 通信協(xié)議包括模擬、數字聲脈沖(ping)、身份識別、配置和電力傳輸。電力接收器放置在電力發(fā)送器上時(shí)出現的典型啟動(dòng)順序如下： 1）來(lái)自電力發(fā)送器的模擬ping檢測到對象的存在。 2）來(lái)自電力發(fā)送器的數字ping為模擬ping的加長(cháng)版，并讓電力接收器有時(shí)間回復一個(gè)信號強度包。若該信息強度包有效，則電力發(fā)送器會(huì )讓線(xiàn)圈保持通電并進(jìn)行下一步驟。 3）身份識別和配置階段，電力接收器會(huì )發(fā)送一些數據包，對其進(jìn)行身份識別，并向電力發(fā)送器提供配置和設置信息。 4）在電力傳輸階段，電力接收器向電力發(fā)送器發(fā)送控制誤差包，以增加或減少電力。正常運行期間，每隔約250ms發(fā)送控制誤差包，而在大信號變化期間每隔32ms發(fā)送一次。另外，在正常運行期間，電力發(fā)送器每隔5s發(fā)送一次電力包。 5）為了終止電力傳輸，電力接收器發(fā)送一條“終止充電”消息或者1.25s內不進(jìn)行通信，使電力發(fā)送器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。 2 原副線(xiàn)圈耦合系數對原邊LC電壓的影響 由RLC串聯(lián)諧振電路得 當原邊感應電路與副邊感應電路結構存在過(guò)大的氣隙時(shí)，不僅副邊線(xiàn)圈的能量接收率變差，且副邊電路和原邊電路距離較遠時(shí)，副邊電路反射電阻變小，Q值增大。由RLC串聯(lián)諧振電路可知，發(fā)生諧振時(shí)電感電壓是輸入電壓的Q倍，當副邊感應電路結構遠離原邊電路時(shí)，Q值增加，電感電壓隨之增大，所以可以通過(guò)檢測電感電壓值來(lái)判斷副邊感應結構是否遠離原邊感應電路。 除了氣隙會(huì )影響原副線(xiàn)圈的耦合系數外，補償電容的大小也會(huì )影響耦合系數。補償電容與電路耦合系數的關(guān)系如表1所示。當改變副邊電路的補償電容時(shí)，諧振頻率也會(huì )改變，導致電路的原副線(xiàn)圈的耦合系數也跟著(zhù)改變，電路的效率也作相應的改變。當諧振頻率接近開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，原副線(xiàn)圈的耦合系數大，電路效率高，電感峰值電壓小。當電路只有副邊補償電容改變時(shí)，電感的峰值電壓的大小反應了副邊電路補償電容的改變情況。 表1 補償電容與電路耦合系數的關(guān)系 放在電力發(fā)送器上的物體有可能是耦合系數較高的物體，如金屬線(xiàn)圈、無(wú)線(xiàn)充電接收模塊等，也有可能是耦合系數較低的物體。對于耦合系數低的物體，不需要對其進(jìn)行身份識別，因為此時(shí)無(wú)線(xiàn)充電器充電效率低，原邊電流大，LC電路電壓高，電路在檢測到一定時(shí)間的連續高電壓狀態(tài)后，將開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，進(jìn)入待機狀態(tài)。對于耦合系數較高的物體，必須對其身份識別，防止誤充電。 在充電過(guò)程中，一般物體的耦合系數不會(huì )隨時(shí)間變化，原邊LC電路電壓不會(huì )有太大的變化。利用這一特性，在識別階段設法讓無(wú)線(xiàn)充電模塊的耦合狀態(tài)按某個(gè)頻率不斷地變化，將無(wú)線(xiàn)充電模塊從其他物體中區別出來(lái)。不斷變化的耦合狀態(tài)，可以通過(guò)按一定的頻率有節奏地改變副邊電路的補償電容值獲得。當副邊電路補償電容值變大1倍后，原邊的電感電壓會(huì )有明顯的改變。 3 識別電路的設計 原邊電路如圖1所示，其中，控制、驅動(dòng)電路用U1代替；副邊電路如圖2所示，其中，降壓、穩壓電路用U2代替。副邊電路采用并聯(lián)補償方式，感應電壓經(jīng)副邊電路的整流濾波、穩壓降壓后輸出。在副邊LC并聯(lián)諧振電路中，增加一個(gè)由電容和2個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的電路，單片機通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管達到改變原副線(xiàn)圈耦合程度的目的。原邊電路采用半橋諧振電路和串聯(lián)補償方式。電壓采樣電路如圖3所示。通過(guò)并聯(lián)感應線(xiàn)圈的電阻，取其分量經(jīng)過(guò)半波整流濾波后，輸出直流回饋電壓VC。取樣初級側感應線(xiàn)圈的電壓大小變化作為保護控制電路的回饋信號，其中， 圖1 原邊電路 圖2 副邊電路 圖3 電壓采樣電路 用LM319判定原邊LC諧振電路電壓是否為高電壓。原邊LC諧振電路電壓經(jīng)過(guò)電壓采樣電路的采樣后，再經(jīng)過(guò)半波整流濾波，得到一個(gè)較為平穩的采樣電壓。采樣電壓送入LM319的同相端，基準電壓輸入到LM319的反相端。若原邊LC串聯(lián)諧振電路的電壓較低，則采樣電壓也較低，LM319輸出一個(gè)低電平電壓；反之，LM319輸出一個(gè)高電平電壓。 原邊單片機接收來(lái)自L(fǎng)M319的電壓判別信號。原邊單片機的工作時(shí)間分為識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預設信號，則發(fā)出使能信號，原邊電路進(jìn)入充電階段；反之，單片機關(guān)斷使能信號，原邊電路進(jìn)入低功耗的待機狀態(tài)。 3.1 副邊單片機設計 副邊單片機的程序流程如圖4所示。為了與原邊同步，副邊單片機并非一啟動(dòng)就輸出8個(gè)高低電平，而是在原邊電路向副邊電路發(fā)送能量之后才發(fā)送。原邊電路向副邊電路發(fā)射能量，電容C6會(huì )積累電荷，電壓升高并維持一定的時(shí)間。單片機就可以通過(guò)檢測第6引腳的電壓是否為高電平來(lái)確定原邊電路是否向副邊電路發(fā)送能量。開(kāi)始后，單片機不斷地檢測第6引腳電壓是否為高電平，若是高電平，則單片機執行下一步動(dòng)作；若不是高電平，則單片機繼續檢測第6引腳的電壓是否為高電平。 圖4 副邊單片機程序流程 在檢測到第6引腳的高電平后，單片機向開(kāi)關(guān)管發(fā)送8個(gè)高低電平的驅動(dòng)電壓，以使副邊感應電路有節奏地改變耦合系數。 在發(fā)送完8個(gè)高低驅動(dòng)電平后，單片機就一直檢測第6引腳是否為低電平。若是高電平，則說(shuō)明原邊一直都在向副邊發(fā)送能量，此時(shí)原副邊線(xiàn)圈處于較大的耦合系數狀態(tài)下，副邊電路可以高效地接收原邊電路向副邊電路發(fā)送的能量；若是低電平，則說(shuō)明本次循環(huán)結束，或者受到某種影響而中斷了原邊能量的發(fā)送，單片機進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。 3.2 原邊單片機設計 原邊單片機的工作時(shí)間分為2個(gè)階段：識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預設的信號，則單片機發(fā)出使能信號，電路進(jìn)入充電階段；若在規定的周期內，單片機沒(méi)有收到預設的信號，則單片機關(guān)斷使能信號，電路進(jìn)入低功耗的待機狀態(tài)，直到下一個(gè)循環(huán)。 假設副邊電路發(fā)送的是10101010八位高低驅動(dòng)電平，則其反射到原邊電路，經(jīng)過(guò)電壓采樣電路的采樣，原邊單片機最終檢測到的電壓應該是10101010八位高低判別電平。在原邊單片機啟動(dòng)后，原邊單片機進(jìn)入識別階段，原邊單片機先發(fā)出16個(gè)周期的使能信號，讓控制電路能正常工作；單片機不停地檢測電壓采樣電路的電壓，只要檢測到的采樣電壓與預設值相符，單片機立即進(jìn)入充電階段；若單片機檢測到的電壓與預設值不相符，并且達到了16個(gè)檢測周期，則判定原邊電路沒(méi)有檢測到相符的接收模塊，單片機關(guān)斷使能信號，無(wú)線(xiàn)充電器進(jìn)入低功耗待機階段；待機結束后，單片機進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在充電階段，若電壓采樣電路出現連續的8個(gè)高電平，則認為副邊電路已遠離原邊電路，或是副邊電路出現了開(kāi)路、短路的現象，應該關(guān)斷使能信號，讓原邊電路進(jìn)入低功耗的待機階段。 圖5 原邊單片機程序流程 4 結束語(yǔ) 介紹了無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)QI標準中的通信協(xié)議，分析了原副線(xiàn)圈耦合程度對原邊電感電壓的影響。在此基礎上提出了一種身份識別電路。通過(guò)對副邊電路補償電容容量的控制，有節奏地改變原副線(xiàn)圈之間的耦合系數，原邊單片機采樣原邊電感的電壓，把采樣電壓與預設電壓比較，最終達到識別副邊電路的目的。通過(guò)適當設計待機時(shí)間的長(cháng)短，達到降低待機功耗的目的。 |
