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項目名稱

基于WPC標準的無線充電系統

項目研究的目的、意義；研究成果的主要內容、重要觀點或對策建議；成果的創新特色、實踐意義和社會影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內。

一、研究目的和意義

1、避免了因電源線老化、被腐蝕導致電子器件的供電系統故障而產生的安全隱患，和有效的解決數據、充電線損壞而產生電子垃圾的問題，同時還使得各種數碼產品有夠統一、便捷的安全充電環境，具備了無線充電技術的便捷性和通用性等優勢。

2、解決在鹽霧及濕度較大的環境下而不能有效使用有線充電的問題。

3、為電子信息科學與技術學科的學生成長提供舞臺，將書本理論知識與實踐有機結合，學以致用，極高學生的動手能力。

二、研究成果的主要內容、重要觀點或對策建議：

研究成果的主要內容：

1、基于電磁感應原理，研制出一種能夠實現無線充電、異物檢測、充電狀態指示、自動休眠和待機的無線充電設備，同時該系統可以適用于海上鹽霧環境。

2、以手機電池作為充電對象，發射端接5V電源對無線充電設備中的空載、功率傳輸、休眠、異物檢測這四種狀態的性能進行測試，在外界環境良好的情況下，當傳輸距離小于或等于5mm時，無線系統效率可以達到60%，當系統處于空載、休眠以及檢測到異物狀態時，該無線充電系統的功耗分別為0.4W、2.25W、0.35W。

3、采用PTFE或者玻璃鋼材料對分別對無線充電系統的發射裝置和接收裝置進行封裝，并利用Maxwell軟件進行仿真，研究該封裝對系統耦合系數的影響，仿真結果顯示不改變耦合系數。

4、最終申請了實用新型專利，獲得專利申請號： 2015203948025

重要觀點或對策建議：

目前無線充電的產品不夠成熟，在異物檢測、充電效率以及降低功耗等方面存在明顯不足，對于鹽霧環境下充電問題的解決方案也較少，本研究基于電磁感應的原理設計了一款無線充電系統，該系統中發射裝置的主芯片能夠通過計算接收裝置中待充電物體的實時阻抗，與接收裝置建立通信，判斷待充電物體的充電狀態，并根據其狀態不同影響接收裝置主控芯片的輸出，當待充電物體阻抗過小時則會被視為異物；當待充電物體阻抗為無窮大時，則表示沒有待充電物體，一旦檢測到長時間沒有待充電物體則芯片需要進入休眠狀態；當檢測到待充電物體的電壓達到充滿時，系統進入待機模式，從而實現了異物檢測和自動休眠/待機的功能，有效的降低了系統功耗，提高了系統效率。同時，該無線充電系統通過將無線接收裝置輸出端與所需充電設備連接在一起后整體進行耐鹽霧封裝后可用于海上特定的鹽霧環境下，無線發射裝置經過耐腐蝕封裝后接電并將發射線圈靠近無線接收裝置的接收線圈，其中電能通過發射線圈轉換為電磁能，再由接收線圈將電磁能轉換為電能僅電路處理后輸出給充電設備，從而確保了在鹽霧環境下可以正常充電。

三、成果的創新特色、實踐意義和社會影響

成果創新特色：

1、該系統根據計算接收端的實時阻抗，建立了發射裝置和接收裝置之間的通信，具有異物檢測和休眠功能，充電完成時系統能自動進入待機狀態。

2、將無線充電系統的接收裝置輸出端與所需充電設備連接在一起后整體由耐鹽霧的PTFE或玻璃鋼材料進行封裝。

實踐意義和社會影響：

1、該系統具備異物檢測以及休眠功能，有效的降低了功耗，提高了系統效率，對當今無線充電產品在充電效率以及降低功耗等方面存在的不足提供了一個改進的方法。

2、該無線充電系統是采用耐鹽霧的PTFE或玻璃鋼材料對無線充電系統進行封裝，對因電源線老化、被腐蝕導致電子器件的供電系統故障而產生的安全隱患，尤其在在鹽霧及濕度較大的環境下不能有效使用有線充電這些問題的解決起到了較大的促進作用。

四、研究成果和研究方法的特色

研究成果的特色：

1、該系統具有異物檢測和休眠功能，充電完成能自動待機。

2、該無線充電系統能有效避免海上鹽霧環境下傳統有線充電線路易被腐蝕的問題，對海上鹽霧環境下的充電問題進行了針對性設計。

研究方法的特色：

由于實驗條件有限，耐鹽霧封裝對于耦合系數影響的研究較難進行實驗驗證，通過采用Maxwell仿真軟件進行有限元分析研究結果可靠度高。

預定計劃執行情況，項目研究和實踐情況，研究工作中取得的主要成績和收獲，研究工作有哪些不足，有哪些問題尚需深入研究，研究工作中的困難、問題和建議。（字數不限，可加頁面）

一、 預定計劃執行情況

    2014年3月，我們自發成立項目小組，選定研究課題，并向學校申請了湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目，在校領導和專家的認真審核下獲準立項，立項后便立即開展對該項目的研究。

前期通過對該項目的廣泛調研和明確應用背景，預先對擬設計的無線充電系統提出了如下設計目標：充電距離在5mm左右，產品能適用于鹽霧等海上環境，充電效率達到70%以上，同時具備異物檢測、金屬物檢測、指示燈指示工作狀態等功能，項目預計在九個月內完成，并發表論文一篇，申請專利一項。

本項目無線充電系統采用電磁感應原理，實現電能到磁能再到電能的轉換，從而達到無線傳輸的目的，擺脫了物理連線所帶來的一系列麻煩。在發送和接收部分各有一線圈，當發送端線圈流過高頻振蕩的電流，將產生變化的磁場，根據楞次定理，接收線圈中的電流會產生阻礙主線圈磁通量的變化的磁場，接收線圈中的電流經整流、濾波后變為直流電壓即可給用電設備進行直流供電。

依據要求及實現方法項目的實施最初討論方案從現有無線電源聯盟（WPC）現有無線充電標準Qi開始研究，從中選定合適的芯片bq500212a，bq500212a的選型方案是針對全部WPC1 5V 解決方案的所需器件數量最少，完全WPC 兼容，其中包括經改進的外來物體檢測方法，具有充電狀態和故障狀態的發光二級管(LED) 指示，基本符合最初設定的要求。

選定方案后參考現有資料開始無線充電系統的實際制作，逐步實現其無線充電功能，在初步實現無線充電功能后，對異物檢測功能進行調試，異物檢測部分通過芯片識別線圈中傳遞的阻抗信息來判別，當待充電物體電阻過小時則會被視為異物；當待充電物體電阻為無窮大時，則表示沒有待充電物體，一旦檢測到長時間沒有待充電物體則芯片需要進入休眠狀態。最終依照其基本原理完成了異物檢測功能，防鹽霧部分具體實施為通過調研，采用那兩種材質進行耐鹽霧包裝，并對線圈加封裝進行仿真，發現不影響兩線圈之間的耦合系數。

現完成的無線充電系統能夠對4.2V左右的電池充電，充電距離在5mm左右，但效率低于預期，為60%左右，能夠實現異物檢測、指示燈指示工作狀態等功能。

針對海上特殊的鹽霧環境，考慮到鹽霧環境較難制造和模擬，選擇通過研究耐鹽霧材料對該無線充電系統進行封裝，并利用Maxwell軟件進行有限元分析仿真，研究耐鹽霧材料的封裝對該無線系統性能上的影響。由于對電路調試部分難度較大，耗費了較長的時間，因此整個項目周期較預期處于滯后狀態，耗時約一年兩個月。已申請專利一項《適用于海上等鹽霧環境的無線充電系統》，專利申請號：2015203948025

二、 項目研究和實踐情況

該無線充電系統主要分為發射和接收兩個部分。

發射部分電路主要包括主芯片BQ500212A及外圍電路、 全橋驅動電

路、通信電路、電源電路。

主芯片BQ500212A及外圍電路如圖2-1所示，主要是根據LED_MODE和LOSS_THR外接不同的電阻來選擇不同的顯示模式狀態/轉換閾值(具體選擇需根據芯片手冊)，通過COMM+和COMM-來檢測負載的不同情況，根據負載不同輸出不同的LED的顯示電平、PWM信號和snooze/sleep信號。

圖2-1  主芯片BQ500212外部電路

全橋驅動和通信部分電路如圖2-2，BQ500212A通過COM+/-端來采集信號區分不同狀態從而執行各種操作。電路中4個100nf的電容與發射線圈組成諧振，其值大小需根據具體的線圈進行適當調整，否則系統的效率會受到影響，值得注意的是，通信部分的信號采集在它們的下面，連接它們的導線不宜過長。

圖2-2  全橋驅動部分和通信

電源部分電路設計見圖2-3，可以看出電路中有snooze和sleep兩個控制端通過電阻電容接到主芯片上，電容電阻的阻值大小決定了定時的時長，功能相同。當芯片需斷開供電時，產生一個脈沖信號，此時MOS管導通，電容儲存的電荷釋放，穩壓芯片使能端變為低電平，穩壓芯片失能，輸出電壓為0V，主芯片不工作，MOS管斷開，電容充電，當電容兩端電壓達到穩壓芯片使能閾值時，芯片使能，主芯片工作，檢測是否還需休眠，重復上述步驟。

圖2-3 電源部分電路

芯片正常工作時對外界不同情況有以下幾種工作狀態：   

（1） 接收部分正常且位置正確，負載已接上：當接收線圈放在發射線圈

上時，由待機狀態切換到充電狀態，電路指示LED由LED1、LED2常亮變為LED1較慢的閃爍。實現電路原理為：接收線圈放在發射線圈上時芯片通過通信端的COMM+和COMM-端采集到由接收端負載帶來的映射電阻變化的信號，確認后改變工作狀態，LED顯示變化，PWM輸出端輸出一組3.3V互補的PWM（頻率在100kHz到200kHz內）信號來驅動H橋，而后H橋將5V的PWM輸出到發射線圈，促使發射部分工作。

（2） 無負載或是其他絕緣物體放在發射線圈上：此時芯片通過通信部分

檢測到接收部分映射電阻過大，將切換到待機狀態，snooze端周期性的輸出脈沖以失能穩壓芯片切斷供電，在恢復通電后芯片產生一個PWM波，以檢測接收端是否變化，此狀態下指示燈表現為LED1、LED2常亮。

（3）金屬異物放在發射線圈上: 此時芯片通過通信部分檢測到接收部分的映射電阻過小，此時損耗很高，芯片將切換到異物警告狀態，芯片內置的蜂鳴器發出聲音，同時LED1不亮，LED2快速閃爍指示當前為異物警告狀態。若此狀態持續，芯片sleep端發出脈沖來失能穩壓芯片，主芯片將進入休睡眠狀態，直至金屬異物移開才恢復為待機狀態。

接收部分主要實現以下兩個功能：

（1） 整流，濾波

（2）與發射部分進行通信，使之區分不同狀態。

圖2.4為接收部分的電路圖。

圖2.4  接收部分的電路圖

下圖2.5為接收芯片的內部部分電路，接收芯片根據負載的情況來控制Comm的電平高低，進而是MOS管導通或斷開，這兩種狀態的阻值差別很大，經接收線圈映射到發射線圈上，來表明狀態。

圖2.5 接收芯片的內部

二、研究中取得的主要成就以及尚需完善的地方

1.主要成就

（1）完成無線充電系統的設計及成品制作

（2）申請一項實用新型專利

（3）撰寫一篇論文（修改中，暫未發表）

2.尚需完善的地方

（1）本項目在防鹽霧設計方面僅進行仿真實驗，對其現實情況未進行實驗。

（2）經實驗分析，本無線充電系統的充電效率最高為60%，并未達到初期設想中的70%。

（3）實際充電過程中，接收端對電池充電的輸入電流較低，實際充電時間較長。

經費合計20000 元，其中，學校配套資助20000 元，學院（所）配套資助0元，其他經費0元。其中：

資料查閱費：250元

無線充電系統原理圖及PCB的繪制費用：2500元

購買元器件：7250元

調試、測試費：5000元

專利申請費：800元

后續研究和其它費用：4200元

項目指導教師對結題的意見，包括對項目研究工作和研究成果的評價等。

負責人簽章：

  年    月    日

學校對項目研究的任務、目標、方法和研究成果水平等進行評價，是否結題。

年    月    日