【学习笔记】无线充电（2）：交互式智能无线充电系统的设计与研究
0 引言
生活中常常发生手机充电不及时而关机的尴尬，加上各种类型手机充电设备接口不尽相同、手机电池需要的充电标准不同而无法通用；还有一些用户手机用久了USB接口多次拔插接触不良而只能拔出电池来充电。除了手机，还有很多像扩音器、电动牙刷、电动剃须刀、无线电话等充电移动设备同样面临着以上两个问题。本文旨在研发一种可以随时随地方便进行充电，且能自动识别设备用电标准而进行充电的无线充电设备。现有的无线充电标准均是专用设备，不具有通用性，同类型号设备充电器和充电模块是成对匹配出现的，从而限制了其他类设备的使用，本研究意在通用及智能判断。
1 无线充电系统概述
1.1 无线充电原理和当前现状
目前无线充电主要可以采用电磁感应、磁场共振和电波辐射三种方法完成。电磁感应方式理论基础较为完备，相对较为简单，实现无线充电的电路结构也比较简单，成本相比于其他两种方式要偏低，但其供电距离有限，对位置、工艺等有较大的依赖；磁场共振方式理论上传输效率较高，距离比电磁感应增加，但调试难度和成本也相应较高，不容易实现；电波辐射方式理论上传输功率和距离远远大于前两种方式，但是要实现这种大功率的传输，技术要求和成本也相应增加。本文结合无线充电应用设备的特点，采用基于电磁感应原理的无线充电技术，电流流过线圈产生磁场，靠近该磁场的线圈会产生电流，充电原理如图1所示。
固定的无线充电器设有两端，一个发送端一个接收端，在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。智能无线充电器也设有两端，同样是一个发送端一个接收端，但是发送端能自动识别接收端需要的电压和电流，从而具有智能性、便捷性和通用性。
目前已有的无线充电器和被充电设备均使用单个线圈，充电器的输出电压和电流是固定的，被充电设备的输入电压和电流也是固定的，此时无线充电设备不存在通用性，均是专用的。
1.2 智能多子阵无线充电模块设计原理
一个子阵主要是由一个充电电感构成；多子阵是由多个子阵按一定方阵构成；无线充电器和被充电模块均由多个子阵按一定方阵构成，例如无线充电器/被充电模块原理图如图2所示。
1.3 无线充电器/被充电模块的构成
如图2所示，无线充电器/被充电模块由三部分组成：子阵充电电感、子阵激活识别电感和识别用户低压电感。
（1）子阵充电电感主要用于向被充电设备充电，其输出固定的电压b3和电流a3；多个子阵间通过串联和并联电路组合成被充电设备需要的电压b2和电流a2或者默认输出5 V、500 mA。
（2）子阵激活识别电感用于识别并开启充电器的充电子阵电感。每个子阵中设计4个识别电感，一旦充电器中大于等于3个子阵激活识别电感互相对正，则激活该子阵充电电感；一部分子阵激活识别电感的电压和电流是固定的，电压b4=10 mV和电流a4=10 mA均非常小，一部分子阵激活识别电感的电压和电流大点，电压b5=0.5 V，电流a5=200 mA。两种子阵是为了用最少的子阵数适应接收端电压和电流。
（3）识别用户低压电感用于被充电设备向充电器发送配置消息。被充电设备的识别用户低压电感输出的电压b1和电流a1是固定的，充电器收到后则识别出被充电设备的充电电压和电流需求，从而调整整个充电器总输出电压和电流，表1为识别用户低压电感配置匹配表。
2 智能无线充电系统工作原理
本文在设计智能无线充电系统时，采用电感进行配置信息匹配，充电器和被充电器间可以互相通信，充电子阵独立控制，电感可以被激活和去激活。
智能无线充电系统采用全自动智能识别，无需人工干预，自动进行充电要求匹配。按照系统不同的工作状态给予不同的系统状态指示：
（1）充电指示灯：不亮——充电器未工作；绿色——充电器工作。
（2）工作状态指示灯：不亮——充电器未工作；黄色闪烁——默认电压5 V和电流500 mA输出；黄色常亮——设备被识别但是未对正充电器和被充电设备；绿色——按照被识别设备电压和电流需求输出；蓝色闪烁——正在识别被充电设备充电标准。
（3）电感激活和去激活：在电感电路中增加开关电路串接大阻值电阻成功则电感去激活；开关电路将串联电阻去除则是激活状态。
2.1 被充电设备电量大于5%的系统工作原理
当被充电设备仍然保有5%及以上电力的情况下，其有能力识别用户低压电感，此时充电器可以通过识别收到的电压和电流从而识别出需要的总输出电压和电流，然后综合已经对正的充电子阵进行串并联调整，从而输出被充电设备需要的输出电压和电流，充电流程如图3所示。
2.2 被充电设备电量低于5%的系统工作原理
当被充电设备电力低于5%或者关机状态下，充电器优先使用默认输出电压5 V和电流500 mA对其进行充电。当被充电设备电力大于等于5%时启动识别和调整过程，后续流程同2.1所述。流程图如图4所示。
3 结论
本文所设计的无线充电器可以智能识别被充电设备的充电电压和电流，从而控制所有子阵的输出，充电子阵间采用并联或者串联后组成被充电设备的需求电流和电压，充电器和被充电设备硬件架构相同，充电器可以容纳多个子阵，则可以对多个被充电设备进行充电。本研究基于电感原理，辐射小而且具有安全、可靠、灵活、通用等特点，可以用于智能手机等小电器的充电，具有很好的应用价值。
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