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(wú)線(xiàn)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.
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(lái)越大。在電池本身技術(shù)短期內(nèi)無(wú)法取得重大突破的前提下,無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電受到廣泛關(guān)注[1-3]。相比于磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電區(qū)域內(nèi)可能存在多個(gè)不同種類(lèi)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(lèi)型各異時(shí),發(fā)射端往往無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電,因此想要提高無(wú)線(xiàn)充電效率,有必要在充電之前或充電過(guò)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈和接收端線(xiàn)圈在充電范圍內(nèi)相互平行。無(wú)線(xiàn)充電功能模型如圖1所示。接收端通過(guò)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(lái)。
1.2 諧振式無(wú)線(xiàn)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(guò)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(xiàn)圈電路斷開(kāi),設(shè)備完全不會(huì)被充電也不會(huì)與其他接收端線(xiàn)圈發(fā)生耦合。當(dāng)設(shè)備充滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(hù)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(hù)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(lái)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷。圖3中Tmin和分別表示充電時(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(wú)線(xiàn)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。
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(xiàn)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(guò)程中優(yōu)先級(jí)在不斷地變化,三條曲線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)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(hù)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(hù)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?hù)注重充電時(shí)間,功率要求對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)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(hù)越來(lái)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(kāi)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(guò)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(mǎn)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(mǎn)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(wú)優(yōu)先級(jí)間的比較
根據(jù)式(1)和式(4)對(duì)系統(tǒng)有無(wú)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(wú)優(yōu)先級(jí)算法的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電場(chǎng)景,通過(guò)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(wú)優(yōu)先級(jí)算法對(duì)無(wú)線(xiàn)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?xún)?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(wú)線(xiàn)充電的效率大大提高。
參考文獻(xiàn)
[1] 賈旭平.無(wú)線(xiàn)充電的主流技術(shù)[J].電源技術(shù),2013,37(7):1101-1104.
[2] CANNON B L,HOBURG J F.Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(7):1819-1825.
[3] WANG J,HO S L,F(xiàn)U W,et al. Finite-element analysis and corresponding experiments of resonant energy transfer for wireless transmission devices[J].IEEE Transactions on Magnetic,2011,47(5):1074-1077.
[4] FU M F,ZHANG T,MA C B,et al.Efficiency and optimal loads analysis for multiple-receiver wireless power transfer systems[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2015,63(3):801-812.
[5] KIM E K,TECK C B,TAKEHIRO I,et al.Impedance matching and power division using impedance inverter for wireless power transfer via magnetic resonant coupling[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50(3):2061-2070.
[6] 任立濤.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸功率特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.
[7] AHN D,HONG S.Effect of coupling between multiple trans-mitters or multiple receivers on wireless power transfer[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2013,60(7):2602-2613.
[8] 劉懷,胡繼峰.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度[J].計(jì)算機(jī)工程,2002,28(3):43-44,150.
[9] 金宏,王宏安,王強(qiáng),等.改進(jìn)的最小空閑時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法[J].軟件學(xué)報(bào),2004,15(8):1116-1123.
[10] 巴巍.實(shí)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度算法的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.
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)