应用于充电式仪器仪表的智能无线充电装置的研制

陶 杰,童 鑫，徐小三，殷忠宁，龚建军

(国网合肥供电公司，安徽 合肥 230000)

无线充电技术由于其独特的便利性，作为近年来的新兴技术发展迅速[1]。由于无线传输过程中的传输效率问题，目前有关无线充电技术的研究多专注于提高其传输效率以及充电原理改善开发[2]，而转化为实际应用的不同类型装置却不常见。在电气试验检测的特殊应用场合中，常用到一类特殊的充电式仪器仪表(高频、特高频检测设备、直流电阻测试仪、绝缘电阻测试仪、红外检测仪等)，此类设备基于自身特点以及应用场合而具有一定的特殊性。

a.全年使用频次低，闲置时间久，很容易发生电池亏损，因此对于充电装置需要有自动充电以及电池保护功能。

b.电池电压普遍较高，位于12.0～16.8 V，电池容量较大，最大可达16 800 mAh，充电电流为1.5～2 A，充电功率较大，最高可达30 W，因此要求充电装置具有较大充电功率。

c.大多仪器仪表具有塑封防水绝缘外装，以应对户外恶劣的工作环境，基于此特点，使此类仪器仪表方便进行无线充电改装(便于接收线圈的安装)。

本文从基本的无线充电原理出发，针对工程检测中此类特殊应用的充电式仪器仪表，旨在研发一种能够通用化、智能化(防过冲、防亏电)的无线充电管理装置。

1 充电模块设计

1.1 发射电路设计

根据不低于30 W充电功率的要求，采用XKT-801(输出功率最高60 W)作为发射电路控制芯片，设计相匹配的发射电路,如图1所示。

1.2 接收电路设计

采用XKT-630作为接收电路控制芯片，设计相匹配的接收电路[3]，如图2所示，图中R2为可调电阻，可通过调节此电阻的大小改变输出电压值。

2 控制模块设计

本文设计2级控制模式。

a.第1级控制采用基于机械原理的压力开关，判断有、无仪器仪表的2种状态，作为整个装置的自动开关，实现节能的目的。

b.第2级控制基于程序设计，根据当前电池电量状态，进行充电过程开启、停止的控制，实现在保护电池的前提下完成充电功能。

此级控制具体分为3个部分。

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a.第1部分是防止过度充电的保护控制，在无线充电方式下，电池电量的判断无法通过检测电池电压的方式，本文根据电池恒压充电时，其充电电流是非线性逐步减小的特性[4]，对此类仪器仪表的2种较大容量电池设计无线充电试验，并根据电池电压情况，同步检测充电电流的变化曲线，从而得出电池无线充电电流与电池电量的关系曲线，如图3所示。

上述试验结果说明，随着电池电量的增加，无线充电发射端的充电电流逐渐减小，即可通过检测无线发射端的交流电流减小到一定值(无线充电本身损耗)来判断电池电量的状态，以此为依据控制无线充电的停止，防止电池饱和过度充电。

b.第2部分是防止电池过度缺电的保护控制。充电式仪器仪表都存在自然耗电情况，需要设计自动开启充电的控制方法，及时开启充电。本文对此类仪器仪表进行电池自然损耗的数据测试，结果如表1所示。本文定义损耗时间为设备在关机状态下，电量由100%减少至60%所需时间。

表1 仪器仪表电池损耗时间统计

根据试验结果，针对此类仪器仪表，本文通过程序设定在定时间隔后开启无线充电，完成防止电池过度缺电的保护控制。

b.第3部分为检测电路保护控制。发射线圈通电建立恒定磁场时，将在线圈中产生较大励磁电流[5]，本文设定电流检测单元开启时间滞后于发射线圈通电时间2 s，防止励磁涌流过大超出电流检测单元量程而损坏检测单元。

结合所有控制环节，总结控制流程,如图4所示。

本文采用基于芯片ATmega328的ardunio uno开发板作为控制板[6]，其具有通用USB接口，程序开发简单，恢复迅速。将上述控制流程编写程序写入控制板，并通过试验验证端口电平情况。

3 电流检测单元设计

本文采用霍尔传感器作为检测交流电流的信号采集单元[7]，并根据电流大小设计相关整流放大电路[8]，将交流电流信号转化为线性电压信号，再经过简单的电路优化设计[9]，电流检测电路原理如图5所示。

4 实际装置模型制作

4.1 发射端底座设计

根据图6，绘制无线充电装置底座的3D图形，并采用当前较为成熟的3D打印技术进行打印[10]，同时设计USB接口方便与控制模块对接，设计图及实际完成底座如图7所示。

4.2 控制电路设计

将控制程序写入控制板，按照程序已定义的端口连接电路，并设计红、绿、黄三色灯光代表“充电中”、“电满”、“缓冲中”3种状态。采用继电器作为强弱电隔离的控制开关，完成将控制板输出的DC3.3V高低电平信号转化为AC220电源的开关以及检测单元电源的通、断，并设计试验验证控制板的逻辑功能正确。实际完成的控制电路如图8所示。

4.3 接收端设计

按照电路原理，制作接收电路。针对该接收电路，选择贴片式元器件进行外观、体积的优化设计，将接收线圈平整粘贴于仪器仪表底部，同时调节该接收模块的输出电压以针对不同充电电压的仪器仪表。接收线圈以及仪器仪表改装如图9所示。

5 装置测试结果

完成初版装置组装，设置充满后间隔10 min重启(方便快速验证试验结果)，实际完成的装置测试结果如表2所示。

表2 测试结果

表2中列出了5种已完成安装的仪器仪表的试验数据，仪器1以及仪器2电池电量满状态下，本装置会立刻判断满电，并切断发射线圈电源，绿灯立刻关闭，并且在设定的10 min间隔后再次重启充电发射装置，并判断满电状态，绿灯闪烁后立刻关闭，依次循环；仪器3、仪器4以及仪器5由于电量不满，立刻进入充电状态，红灯亮，待电池满电后，同样也进入上述循环。

通过试验结果，说明本装置放置仪器仪表后，能够立即打开发射线圈电源，开启充电，并且电池电量达到或接近100%时，自动断开发射线圈电源，在一定时间周期后，装置能够重启充电，至此完成针对工业用充电式仪器仪表的智能化无线充电装置。

6 结束语

通过试验表明，本文所研制的智能无线充电装置具有自充电、自断电的仪器仪表电池智能充电管理功能。此外，本装置在提高传输效率以及在整机设计方面仍有不足，也是进一步深入研究的方向。

本装置的研制对于工业检测仪器仪表这一类特殊领域具有较大的应用前景，同时为无线充电技术实际应用的研究发展方向提供借鉴。