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。在電池本身技術短期內(nèi)無法取得重大突破的前提下，無線充電技術成為一種可行且便利的解決方式。目前，磁感應式和電磁諧振式無線充電受到廣泛關注^[1-3]。相比于磁感應式無線充電，電磁諧振式不僅可以進行中短距離的充電，還能支持多個設備同時充電，且充電功率也有很大提升^[4-6]。

    無線充電區(qū)域內(nèi)可能存在多個不同種類的待充電設備，這些設備往往同時充電^[7]。每個設備理論上能獲得均等的充電機會，但當接收端類型各異時，發(fā)射端往往無法根據(jù)實際需求進行無線供電，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設備進行優(yōu)先級排序^[8-10]。本文基于電磁諧振式無線充電原理，考慮多設備同時充電場景，提出一種優(yōu)先級算法。該算法可以有效地優(yōu)化一對多無線充電，提高充電效率。

1 場景理論分析

1.1 系統(tǒng)模型

    首先，假設在一定范圍內(nèi)的設備才能被充電。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。接收端通過藍牙將信息反饋給發(fā)射端。本文中，藍牙的工作范圍大于充電范圍，且藍牙設備均運行良好。

    圖1中，采集器實時采集接收端的信息，優(yōu)先級計算單元根據(jù)采集結果實時更新充電優(yōu)先級并控制充電，使充電優(yōu)先級的計算和更新與環(huán)境的實時變化密切地聯(lián)系起來。

1.2 諧振式無線充電

2 優(yōu)先級算法

    優(yōu)先級算法的主要目的是減少充電時間、提高充電效率等。本文所提出的優(yōu)先級是一種動態(tài)過程，優(yōu)先級高的任務最先得到執(zhí)行；每當有新設備需要充電時，也會根據(jù)所有設備的情況重新分配優(yōu)先級。

    充電范圍內(nèi)的設備有充電和待充電兩種狀態(tài)。當設備的優(yōu)先級最高或充電范圍內(nèi)僅有一個設備時，該設備處于充電狀態(tài)，而其他設備則處于待充電狀態(tài)。當設備處于待充電狀態(tài)時，接收端線圈電路斷開，設備完全不會被充電也不會與其他接收端線圈發(fā)生耦合。當設備充滿電后，設備的狀態(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)先級算法，該算法的基本思想如下：

    (1)無線充電范圍內(nèi)的設備能參與優(yōu)先級判斷；

    (2)充電時間相對短的設備可以被優(yōu)先充電；

    (3)小功率要求的設備(即負載功率小的設備)優(yōu)先級高，可以被優(yōu)先充電；

    (4)離發(fā)射端線圈相對近的設備優(yōu)先級較高。

    本文的動態(tài)優(yōu)先級如式(2)所示。

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

    優(yōu)先級算法的流程圖如圖3所示。圖中p_n是不同設備的優(yōu)先級。當p_n相同時，需根據(jù)主觀系數(shù)r來進行優(yōu)先級判斷。圖3中T_min和分別表示充電時間少和負載功率小的設備，其中p_{n max}=p_n(T_min)表示充電時間少的設備優(yōu)先級高，同理表示負載功率小的設備優(yōu)先級高。

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

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

3 仿真分析

    本文針對圖1所示的無線充電系統(tǒng)功能模型，對不同接收端進行優(yōu)先級算法仿真。假設發(fā)射端功率P_TX為20 W，對以下5種情況進行仿真分析。

3.1 充電時間

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

    假設充電區(qū)域內(nèi)有三個不同電池容量的設備，分別為3 Wh、15 Wh和30 Wh；三個設備的負載功率相同，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，優(yōu)先級與殘余電量的關系圖如圖4所示。由圖知，電池容量越小，殘余電量越少的設備優(yōu)先級越高，即充電時間越短的設備優(yōu)先級越高，可以被優(yōu)先充電。

3.2 負載功率

    負載功率是設備本身消耗的電功率，即設備的功率要求和能量需求，負載功率在充電系統(tǒng)中是一個關鍵因素。

    假設有三個負載功率不同的設備，兩個設備的負載功率固定，為5 W和10 W，另一個設備負載功率在變化；充電時間相同，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，優(yōu)先級與負載功率的關系圖如圖5所示。

    由圖知，對于負載功率變化的設備，負載功率越小，優(yōu)先級越高，因其需要的能量少；對于負載功率固定的設備，優(yōu)先級隨著負載功率的增加而增加，因三個設備的負載功率和在增加。負載功率固定的兩設備優(yōu)先級隨負載功率的增加呈直線上升，且上升的幅度不一致，負載功率為5 W的設備能量需求少，故優(yōu)先級增加的幅度大。設備的負載功率在變化的過程中優(yōu)先級在不斷地變化，三條曲線相交于P₁和P₂點處，負載功率大于10 W(P₂右端)時優(yōu)先級最低，小于5 W(P₁左端)時優(yōu)先級最高，反之介于兩者之間，負載功率相同，優(yōu)先級相同，即圖5中的P₁和P₂點。

3.3 充電距離和主觀系數(shù)

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

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

    主觀系數(shù)r取不同值時，三個設備的優(yōu)先級各不相同，主觀系數(shù)r決定充電優(yōu)先（充電時間優(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的大小對設備的充電優(yōu)先級影響很大，如左上r為0.1時的圖，殘余電量為10%的設備充電時間少，理論上應比殘余電量為80%的設備優(yōu)先級高，但用戶注重功率要求，故殘余電量為80%的設備優(yōu)先級高，因其負載功率小，功率要求低；當r為0.9時，如右下圖所示，殘余電量為10%的兩個設備，即使兩設備的負載功率不同，優(yōu)先充電的等級卻相同，因為用戶注重充電時間，功率要求對用戶來說不太重要，故負載功率不同殘余電量相同的兩設備優(yōu)先級相同；主觀系數(shù)r增加時，雖然負載功率為20 W的設備功率要求大，能量需求多，但該設備優(yōu)先級仍然隨之增加，因用戶越來越注重充電時間，該設備的殘余電量僅為10%，充電時間相對短，故該設備的優(yōu)先級隨著主觀系數(shù)r的增加而增加。

3.4 時間

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

    假設三個設備的充電距離相同，充電時間不同，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，隨著時間的變化，三個不同設備的充電優(yōu)先級如圖7所示。

    發(fā)射端根據(jù)優(yōu)先級排序?qū)υO備依次進行充電，設備1因優(yōu)先級最高而被優(yōu)先充電，處于充電狀態(tài)，此時設備2和3處于待充電狀態(tài)。在充電過程中設備1的優(yōu)先級在不斷的提高，因充電時間減少，功率要求降低。設備1充滿電后切換至待充電狀態(tài)，設備2和3根據(jù)優(yōu)先級依次充電。設備充滿電后不參與優(yōu)先級判斷，參與優(yōu)先級判斷的設備負載功率和減少，故優(yōu)先級會有稍許降低。

3.5 有無優(yōu)先級間的比較

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

4 結論

    本文基于電磁諧振式無線充電場景，通過優(yōu)先級的研究，提出了一種混合型動態(tài)優(yōu)先級算法，并分析了優(yōu)先級對整個充電系統(tǒng)的影響。在算法中，本文考慮了設備的充電時間、負載功率、充電距離、主觀系數(shù)和時間與優(yōu)先級的關系，此外，還將有無優(yōu)先級算法對無線充電的充電效率進行對比。充電時間越短，功率要求越小，充電距離越近的設備優(yōu)先級越高，可以優(yōu)先充電。仿真結果也驗證了本文提出的優(yōu)先級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 電子信息學院，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)