基于RFID的无线电能传输系统智能控制器的设计

范祖良

摘   要：在短距离无线电能传输系统中，文章利用射频识别技术来准确识别待充电设备，进行精准的ID认证，从而判断待充电设备的充电需求，自动控制无线充电系统的启动和停止。

关键词：无线电能传输;射频识别;自动控制

无线电能传输技术是指一种借助于物理空间中的能量载体，基于非导线接触方式，实现电能由电源侧传输至负载侧的技术[1]。近年来，便携式电气设备快速发展和普及，在给人们生活带来便利的同时，也带来了新的困扰。便携式设备需要频繁充电。传统的有线充电需要频繁地拔插，既不安全，又容易磨损。目前，各大移动设备厂商的充电器、电线、充电接口标准也并不完全统一，造成了资源的浪费。

以智能手机为例，目前，华为、苹果等手机都已实现无线充电功能。但是智能手机无线充电器尚存在着诸多缺陷和不足，例如无线充电器的启、停控制。若采用传统的方法对无线充电器插头进行插拔以实现无线充电器的启、停，就违背了无线充电的便捷性原则;若无线充电器插头插上以后就不再拔下，不仅会造成不必要的电磁污染，同时，也会造成不必要的电能损失。鉴于此，本文设计了基于无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的智能无线电能传输控制系统。

1    智能无线电能传输控制系统的总体要求与设计

无线电能传输系统在小功率、短距离应用中已经实现商用，将来无线电能传输系统必将朝着大功率化、远距离化和智能化的方向发展，而且应用范围也将越来越广泛。本文对智能无线电能传输控制系统提出以下设计要求：（1）能兼容目前市面上现有便携式移动无线充电设备。（2）能根据便携式移动无线充电设备的存在状态自动地实现设备启、停。（3）出于节能和安全性考虑，无线充电设备能够设置充电权限，要求具有安全性ID验证功能。

2    无线电能传输系统智能控制方案设计

无线电能传输系统的智能控制部分是整个系统的控制核心，决定了无线电能传输系统的智能化程度。图1为无线电能传输系统传输路径。

电能传输路径中的智能控制器工作流程如图2所示，关于智能控制器中用于判断无线电能接收负载是否存在的设计，本文主要有以下3种方案。

2.1  在无线电能传输系统负载终端加装红外对射感应装置

红外对射感应装置主要是由红外线接收器和发射器组成。该方案的控制核心是两对安装在无线电能传输系统边沿的红外对射探测装置，当无线设备充电区域未放置充电设备时，发射端发射的红外线被接收端接收，代表此时充电区域没有待充设备，系统将不接通高频电能转换器与市电。当无线设备充电区域放置充电设备时，红外发射端发射的红外线将被待充设备阻挡，代表此时充电区域存在无线电能待充设备，系统接通高频电能转换器与市电的连接，实现向负载进行无线电能传输。当无线充电设备离开充电区域时，红外接收端重新接到红外线信号，切断高频电能转换器与市电的连接，终止电能的无线传输。

2.2  在无线电能传输系统负载终端加装压力传感器

压力传感器是一种对压力非常敏感的元器件，能感受压力信号并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号的装置。当充电区域无待充电设备时，压力传感器输出低电平，代表该无待充电设备;当待充电设备放入充电区域时， 压力传感器输出一个高电平信号，代表存在待充电设备，系统控制器自动闭合高频电能转换器与市电的连接，开始为无线待充电设备进行充电，从而实现电能的无线传输;当待充电设备离开充电区域时，压力传感器系统输出低电平，系统控制器自动断开高频电能转换器与市电的连接，终止电能的无线传输。

2.3  应用RFID技术来控制无线电能传输系统的启、停

RFID是一种无需接触就可以实现数据传输和识别的技术[2]，是一种适用于短距离的识别通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立的机械或光学接触。RFID主要由应答器、天线和阅读器组成。RFID标签由芯片与天线组成，而每一个标签具有唯一的电子编码[3]。

RFID技术在无线电能待充设备检测中的应用原理是：在无线设备电能传输系统负载终端安装RFID射频信号识别器，在无线电能传输待充电设备上安装RFID射频标签。系统可以通过RFID射频信号识别器识别对应的RFID射频标签信号，当RFID射频信号识别器未感应到RFID射频标签信号时，系统控制器自动断开高频电能转换器与市电的连接。当RFID射频信号识别器感应到RFID射频标签信号时，系统控制器自动闭合高频电能转换器与市电的连接，开始为无线待充电设备进行充电，从而实现电能的无线传输。当充电设备离开充电区域，RFID射频信号识别器无法感应到RFID射频标签信号时，系统控制器自动断开高频电能转换器与市电的连接，从而实现终止电能的无线传输。

3    无线电能传输系统智能控制方案设计分析与比较

为寻求最佳的设计方案，现对3种方案进行分析比较。

3.1  在无线电能传输系统负载终端加装红外对射感应装置的優缺点

优点：（1）安全。红外对射探测器发射的是红外线，不产生任何类型的辐射，不会对设备和人体造成伤害。（2）功耗小。（3）价格低廉。（4）环境适应能力强。对于系统放置位置的水平度等无特殊条件要求。

缺点：（1）抗干扰性较差。红外对射探测器对温度较敏感，无线电能传输系统在给设备充电时，不可避免地会升温发热，在狭小的待充设备放置区中，温度较高容易对探测器造成干扰从而产生误判。（2）不具备特定物体识别功能，容易引起误判断。（3）在实际使用中易受损。（4）不具备安全ID认证功能。

3.2  在无线电能传输系统负载终端加装压力传感器的优缺点

优点：（1）压力传感器系统选择性很广。压力传感器系统种类众多，可以根据具体需要选择最合适的传感器系统。（2）压力传感器自身可靠性高。（3）压力传感器系统功耗小。

缺点：（1）不具备特定物体识别功能，容易引起误判断。（2）压力传感器对设备放置方向和放置位置会有较严格的要求。（3）成本较高。（4）不具备安全ID认证功能。

3.3  应用RFID技术来控制无线电能传输系统启、停的优缺点

优点：（1）抗干扰能力强，识别率高。RFID技术不需要识别器与标签之间有任何的机械或光学接触。（2）成本低。（3）具备特定设备识别功能。（4）具备安全ID认证功能。（5）功耗低。

缺点：需要在每个无线充电设备表面或内部放置标签。

4    结语

根据对以上3种设计方案的分析比较可知，智能控制器应用RFID技术来判断待充设备的存在情况并控制无线电能传输系统的自动启停是最优方案。它不仅能够满足本文提出的有关对智能无线电能传输控制系统提出的设计要求，而且还同时具备成本低、技术成熟等诸多优点。基于射频识别的无线充电技术具有更加广泛的社会需求，它的研究不仅具有重要的科学意义，而且有重要的实用价值和广阔的应用前景，可以带来显著的经济和社会效益[4]。

[参考文献]

[1]黄学良，王维，谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化，2017（2）：2-14.

[2]胡雪慧.RFID技术与条码技术比较分析[J].现代商业，2018（36）：188-189.

[3]李泉林，郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].射频世界，2006（1）：51-62.

[4]王婷，王菁华，万婷.基于RFID的便携式太阳能手机无线充电装置设计[J].通信电源技术，2015（4）：227-229.