0 引言

    隨著電子信息產業的蓬勃發展，便攜式電子產品的耗電量越來越大。在電池本身技術短期內無法取得重大突破的前提下，無線充電技術成為一種可行且便利的解決方式。目前，磁感應式和電磁諧振式無線充電受到廣泛關注^[1-3]。相比于磁感應式無線充電，電磁諧振式不僅可以進行中短距離的充電，還能支持多個設備同時充電，且充電功率也有很大提升^[4-6]。

    無線充電區域內可能存在多個不同種類的待充電設備，這些設備往往同時充電^[7]。每個設備理論上能獲得均等的充電機會，但當接收端類型各異時，發射端往往無法根據實際需求進行無線供電，因此想要提高無線充電效率，有必要在充電之前或充電過程中對設備進行優先級排序^[8-10]。本文基于電磁諧振式無線充電原理，考慮多設備同時充電場景，提出一種優先級算法。該算法可以有效地優化一對多無線充電，提高充電效率。

1 場景理論分析

1.1 系統模型

    首先，假設在一定范圍內的設備才能被充電。其次，發射端線圈和接收端線圈在充電范圍內相互平行。無線充電功能模型如圖1所示。接收端通過藍牙將信息反饋給發射端。本文中，藍牙的工作范圍大于充電范圍，且藍牙設備均運行良好。

    圖1中，采集器實時采集接收端的信息，優先級計算單元根據采集結果實時更新充電優先級并控制充電，使充電優先級的計算和更新與環境的實時變化密切地聯系起來。

1.2 諧振式無線充電

2 優先級算法

    優先級算法的主要目的是減少充電時間、提高充電效率等。本文所提出的優先級是一種動態過程，優先級高的任務最先得到執行；每當有新設備需要充電時，也會根據所有設備的情況重新分配優先級。

    充電范圍內的設備有充電和待充電兩種狀態。當設備的優先級最高或充電范圍內僅有一個設備時，該設備處于充電狀態，而其他設備則處于待充電狀態。當設備處于待充電狀態時，接收端線圈電路斷開，設備完全不會被充電也不會與其他接收端線圈發生耦合。當設備充滿電后，設備的狀態切換至待充電狀態。

    本文提出一種基于多參數的優先級算法，該算法的基本思想如下：

    (1)無線充電范圍內的設備能參與優先級判斷；

    (2)充電時間相對短的設備可以被優先充電；

    (3)小功率要求的設備(即負載功率小的設備)優先級高，可以被優先充電；

    (4)離發射端線圈相對近的設備優先級較高。

    本文的動態優先級如式(2)所示。

    式中，p為優先級，d為接收端與發射端之間的距離，為設備的負載功率(功率要求)，T為充電時間，其中P_TX為發射端功率，B為設備的殘余電量，C為設備的電池容量（單位為Wh）。式(2)中r(r∈[0，1])為主觀系數，即參數對系統的影響比重，由用戶決定。r<0.5時功率要求對系統影響大，功率要求優先，反之充電時間優先。換言之，r=0.5是用戶決定充電時間優先還是功率要求優先的臨界值。

    優先級算法的流程圖如圖3所示。圖中p_n是不同設備的優先級。當p_n相同時，需根據主觀系數r來進行優先級判斷。圖3中T_min和分別表示充電時間少和負載功率小的設備，其中p_{n max}=p_n(T_min)表示充電時間少的設備優先級高，同理表示負載功率小的設備優先級高。

    根據電磁諧振電路原理圖(圖2)，加入優先級算法的充電效率如式(3)所示。

    相比于式(1)，對接收端依次充電可以提高整個充電系統的充電效率。

3 仿真分析

    本文針對圖1所示的無線充電系統功能模型，對不同接收端進行優先級算法仿真。假設發射端功率P_TX為20 W，對以下5種情況進行仿真分析。

3.1 充電時間

    充電時間在充電系統中是人們最關注的因素之一。充電時間取決于電子設備的電池容量、殘余電量和發射端功率等，如式(3)所示。

    假設充電區域內有三個不同電池容量的設備，分別為3 Wh、15 Wh和30 Wh；三個設備的負載功率相同，均為5 W；離發射端的距離均為5 cm。主觀系數r為0.5時，優先級與殘余電量的關系圖如圖4所示。由圖知，電池容量越小，殘余電量越少的設備優先級越高，即充電時間越短的設備優先級越高，可以被優先充電。

3.2 負載功率

    負載功率是設備本身消耗的電功率，即設備的功率要求和能量需求，負載功率在充電系統中是一個關鍵因素。

    假設有三個負載功率不同的設備，兩個設備的負載功率固定，為5 W和10 W，另一個設備負載功率在變化；充電時間相同，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r為0.5時，優先級與負載功率的關系圖如圖5所示。

    由圖知，對于負載功率變化的設備，負載功率越小，優先級越高，因其需要的能量少；對于負載功率固定的設備，優先級隨著負載功率的增加而增加，因三個設備的負載功率和在增加。負載功率固定的兩設備優先級隨負載功率的增加呈直線上升，且上升的幅度不一致，負載功率為5 W的設備能量需求少，故優先級增加的幅度大。設備的負載功率在變化的過程中優先級在不斷地變化，三條曲線相交于P₁和P₂點處，負載功率大于10 W(P₂右端)時優先級最低，小于5 W(P₁左端)時優先級最高，反之介于兩者之間，負載功率相同，優先級相同，即圖5中的P₁和P₂點。

3.3 充電距離和主觀系數

    在無線充電中，電子設備與發射端之間的距離起著重要的作用。假設有三個不同的設備，充電時間和功率要求各不相同。三個設備的電池容量均為10 Wh，殘余電量分別為10%、80%和10%，負載功率分別為5 W、5 W和20 W。主觀系數r取不同值，優先級與充電距離的關系如圖6所示。

    由圖知，接收端設備離發射端越近，優先級越高，與設備的充電時間和功率要求無關，也不隨主觀系數變化。

    主觀系數r取不同值時，三個設備的優先級各不相同，主觀系數r決定充電優先（充電時間優先或功率要求優先），由用戶主觀決定。圖6中，主觀系數r的大小對設備的充電優先級影響很大，如左上r為0.1時的圖，殘余電量為10%的設備充電時間少，理論上應比殘余電量為80%的設備優先級高，但用戶注重功率要求，故殘余電量為80%的設備優先級高，因其負載功率小，功率要求低；當r為0.9時，如右下圖所示，殘余電量為10%的兩個設備，即使兩設備的負載功率不同，優先充電的等級卻相同，因為用戶注重充電時間，功率要求對用戶來說不太重要，故負載功率不同殘余電量相同的兩設備優先級相同；主觀系數r增加時，雖然負載功率為20 W的設備功率要求大，能量需求多，但該設備優先級仍然隨之增加，因用戶越來越注重充電時間，該設備的殘余電量僅為10%，充電時間相對短，故該設備的優先級隨著主觀系數r的增加而增加。

3.4 時間

    充電時間是充電開始到充電結束的時間間隔，優先級在這段時間間隔內隨時間的變化而變化。

    假設三個設備的充電距離相同，充電時間不同，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，負載功率分別為3 W、6 W和10 W。主觀系數r為0.5，隨著時間的變化，三個不同設備的充電優先級如圖7所示。

    發射端根據優先級排序對設備依次進行充電，設備1因優先級最高而被優先充電，處于充電狀態，此時設備2和3處于待充電狀態。在充電過程中設備1的優先級在不斷的提高，因充電時間減少，功率要求降低。設備1充滿電后切換至待充電狀態，設備2和3根據優先級依次充電。設備充滿電后不參與優先級判斷，參與優先級判斷的設備負載功率和減少，故優先級會有稍許降低。

3.5 有無優先級間的比較

    根據式(1)和式(4)對系統有無優先級算法進行仿真，如圖8所示。從圖中看出，相比于無優先級算法的無線充電系統，加入優先級算法使系統充電效率提高了20%。

4 結論

    本文基于電磁諧振式無線充電場景，通過優先級的研究，提出了一種混合型動態優先級算法，并分析了優先級對整個充電系統的影響。在算法中，本文考慮了設備的充電時間、負載功率、充電距離、主觀系數和時間與優先級的關系，此外，還將有無優先級算法對無線充電的充電效率進行對比。充電時間越短，功率要求越小，充電距離越近的設備優先級越高，可以優先充電。仿真結果也驗證了本文提出的優先級算法可以使得無線充電的效率大大提高。

參考文獻

[1] 賈旭平.無線充電的主流技術[J].電源技術，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，FU 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.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，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.實時系統的多任務調度[J].計算機工程，2002，28(3)：43-44，150.

[9] 金宏，王宏安，王強，等.改進的最小空閑時間優先調度算法[J].軟件學報，2004，15(8)：1116-1123.

[10] 巴巍.實時系統動態優先級任務調度算法的研究[D].大連：大連理工大學，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 電子信息學院，江蘇 鎮江212003；2.鎮江博聯電子科技有限公司，江蘇 鎮江212001)