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。

    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

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。

    式中，p為優(yōu)先級(jí)，d為接收端與發(fā)射端之間的距離，為設(shè)備的負(fù)載功率(功率要求)，T為充電時(shí)間，其中P_TX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p_n是不同設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)p_n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T_min和分別表示充電時(shí)間少和負(fù)載功率小的設(shè)備，其中p_{n max}=p_n(T_min)表示充電時(shí)間少的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高，同理表示負(fù)載功率小的設(shè)備優(yōu)先級(jí)高。

    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。

    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P_TX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。

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。

    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。

    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。

    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%。

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)