適用于物探隊野外施工的無線充電技術(shù)研究

樂 強，袁久春，張 懷，朱 勇，況 偉

(中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司 四川 成都 610213)

0 引 言

隨著地球物理勘探技術(shù)向“兩寬一高”的高精度地震勘探方向發(fā)展，野外勘探由傳統(tǒng)全有線儀器向有線、無線儀器聯(lián)合施工轉(zhuǎn)變。伴隨著施工模式的轉(zhuǎn)變，需要充電的勘探設(shè)備也逐漸增多。節(jié)點系統(tǒng)、排列助手、手持電臺、遙爆系統(tǒng)、傳統(tǒng)有線設(shè)備為確保正常工作均需要定期充電。其中，對于節(jié)點系統(tǒng)、傳統(tǒng)有線設(shè)備、遙爆系統(tǒng)的充電，為了提高充電效率，采用集中式充電方式，需要建立獨立的充電房。節(jié)點系統(tǒng)通常使用專業(yè)充電架進行高電流大功率有線方式充電。傳統(tǒng)有線設(shè)備和遙爆系統(tǒng)采用鉛酸電瓶作為供電電源，通常由專業(yè)人員充電。而采用可充電電池供電的排列助手和手持電臺由于受野外施工環(huán)境限制及設(shè)備的分布離散性影響，通常采用離散式充電方式，因地制宜使用民用電路充電。

在野外施工狀況下，使用有線常規(guī)方法充電的設(shè)備常面臨三大問題：①充電接口易損壞。充電設(shè)備在野外頻繁充電不僅容易導(dǎo)致充電接口松動引起的充電效率下降，而且可能導(dǎo)致設(shè)備防水性下降以及接口損壞無法充電。②充電效率低。受野外環(huán)境限制無法使用單個充電器同時并行給多個設(shè)備充電，使得充電效率降低。③充電安全性低。受野外充電電壓不穩(wěn)定、通用充電器無法長期連續(xù)充電、充電系統(tǒng)線路容易損傷等因素影響，充電時有損壞設(shè)備電路甚至引起火災(zāi)的風(fēng)險。因此，如何有效解決在野外復(fù)雜環(huán)境下多設(shè)備安全高效充電的問題，成為保障物探隊野外順利施工的一大重點。

1 無線充電技術(shù)及其特點

無線充電技術(shù)源于無線電能傳輸技術(shù)，是不以任何導(dǎo)線或其它固態(tài)介質(zhì)作為載體，基于空氣介質(zhì)實現(xiàn)電能傳輸?shù)男滦图夹g(shù)[1]。不同于傳統(tǒng)有線充電方式，無線充電無需借助導(dǎo)線等物理介質(zhì)作為媒體，廣泛應(yīng)用于家居、家電、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域，正在向其他領(lǐng)域的充電系統(tǒng)擴展。無線充電技術(shù)可通過電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電磁耦合式、無線電波式實現(xiàn)。

相對于有線常規(guī)充電方式，新型無線充電方式有以下三大特點：①充電無物理性損壞。充電時無需物理接觸，能保護充電品的外殼完全不受拔插傷害，不僅最大程度地保證充電電路的硬件完好而且對充電設(shè)備的防水性也起到有效保障。②充電高效性。單個無線充電器可對多個充電設(shè)備并行充電，這樣能保障在外部環(huán)境復(fù)雜、電路端口有限的情況下對多個設(shè)備充電的高效性。③充電安全性。因為能對多個充電設(shè)備以非物理接觸方式充電，大幅降低了充電設(shè)備電路損壞以及引起火災(zāi)的概率。因此，將無線充電技術(shù)應(yīng)用于物探隊野外離散式充電能在正常充電的同時減少物理性損壞、提高充電效率、保障充電安全。

2 無線充電方案設(shè)計

2.1 實現(xiàn)方法

目前物探隊施工使用的排列助手和手持電臺等常規(guī)離散式充電設(shè)備主要由鋰電池、鎳氫電池等充電電池供電，只能接受直流方式充電。市場通用的無線充電器能將電能轉(zhuǎn)換成磁能。因此，需要設(shè)計一款無線充電模塊進行能量轉(zhuǎn)換，幫助通用無線充電器實現(xiàn)給常規(guī)設(shè)備進行無線充電的功能。無線充電模塊工作流程如圖1所示，無線充電模塊能在無物理接觸的狀況下將通用無線充電器所產(chǎn)生的磁能轉(zhuǎn)換為直流電能，用于給常規(guī)設(shè)備充電。在充電過程中，無線充電模塊還需要保護本模塊及充電設(shè)備在高溫、過載電流等異常情況下的工作安全。

圖1 充電流程示意圖

2.2 充電方式選型

無線充電方式主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電磁耦合式和無線電波式。電磁感應(yīng)式原理是電流通過線圈，線圈產(chǎn)生磁場，對附近線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生充電電流。電磁感應(yīng)式通常傳輸功率小于10 W，具有通用性好、兼容性強、轉(zhuǎn)換效率好的優(yōu)點[2]。電磁共振式原理是發(fā)送端能量遇到共振頻率相同的接收端，由共振效應(yīng)進行電能傳輸。電磁共振式的傳輸功率達幾千瓦，特點是可實現(xiàn)遠距離的無線充電，但轉(zhuǎn)化效率較低。電磁耦合式原理是利用通過沿垂直方向耦合的兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電能。電磁耦合式傳輸功率小于10 W，特點是轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱量低、可在短距離內(nèi)對多個設(shè)備同時充電。無線電波式原理是將環(huán)境電磁波轉(zhuǎn)換為電流，通過電路傳輸電流[3-4]。無線電波式傳輸功率大于100 mW,特點為傳輸效率低、充電距離遠。通過對四種方式無線充電技術(shù)的對比，電磁耦合式具有轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性好、傳輸距離優(yōu)于電磁感應(yīng)式、市場化成熟性高等優(yōu)勢，適用于應(yīng)對野外使用的電壓不穩(wěn)定民用電路，更適合物探隊野外離散式充電。因此，本次模塊充電方式選用電磁耦合式。

2.3 標準選擇

目前主流無線充電標準有5種，Qi標準、PMA標準、A4WP標準、iNPOFi標準和Wi-Po標準[5]。其中Qi標準是全球應(yīng)用最廣、合作伙伴最多的無線充電聯(lián)盟(WPC)的標準[6]。Qi標準采用了目前最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)，具備兼容性以及通用性兩大特點。擁有Qi標識的產(chǎn)品都可以使用Qi無線充電架構(gòu)充電，從而解決了通用性問題。具有更好兼容性和通用性的Qi標準更適合使用于野外民用電路。因此，本次模塊標準選用Qi標準。

2.4 架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的充電原理如圖2所示。

圖2 無線充電原理圖

充電系統(tǒng)由通用無線充電器的發(fā)射器線圈L1和無線充電模塊的接收器線圈 L2組成，兩個線圈共同構(gòu)成一個電磁耦合感應(yīng)器。發(fā)射器線圈所攜帶的交流電生成磁場，并通過感應(yīng)使接收器線圈產(chǎn)生電壓。這種電壓可用于為野外充電設(shè)備電池充電。系統(tǒng)采用WPC1.1磁耦合技術(shù)，利用支持Qi標準的無線充電線圈，通過導(dǎo)磁片反射方式，提升充電效率與充電速度[7-8]。

基于以上充電原理，無線充電模塊的總體架構(gòu)如圖3所示，共分為4個部分。首先，模塊轉(zhuǎn)換部分利用滿足Qi標準的無線接收線圈與通用無線充電器無線發(fā)射線圈靠近，將無線發(fā)射端發(fā)射的電磁能量接收到無線接收線圈，通過模塊轉(zhuǎn)換部分將無線線圈中的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電傳送到下一級有線充電部分。其次，模塊充電部分利用內(nèi)置芯片的充電算法，安全高效地對電池組進行充電。再次，模塊監(jiān)測部分實時對電池的電壓、溫度、電量等參數(shù)進行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)傳輸端口將電池組的狀態(tài)信息發(fā)送到整個系統(tǒng)的控制端。最后，模塊保護部分對充電狀態(tài)下電池出現(xiàn)的過度充電、過度放電、溫度異常、短路等異常情況進行及時的保護響應(yīng)，保證電池組及整個系統(tǒng)的安全運行。綜上所述，模塊的充電流程能滿足物探隊在野外的離散式充電需求。

圖3 無線充電模塊總架構(gòu)圖

3 模塊的硬件電路設(shè)計

無線充電模塊主要按照總體架構(gòu)進行硬件電路設(shè)計，需要在實現(xiàn)無線充電功能基礎(chǔ)上提高充電效率及安全性。充電模塊的硬件電路由模塊轉(zhuǎn)換電路、模塊充電電路、模塊保護電路和模塊監(jiān)測電路4部分組成。

3.1 模塊轉(zhuǎn)換電路

本模塊的轉(zhuǎn)換部分主要將通用無線充電器上的磁能轉(zhuǎn)換為直流電能。模塊轉(zhuǎn)換部分選擇BQ500215作為核心接收芯片，其原理如圖4所示。

圖4 無線接收芯片原理圖

該部分通電后進行自動檢測，同時提供無線接收器接收無線充電端所輸出的電能；接著，將接收到的交流電轉(zhuǎn)化為直流電[9]。為了提高排列助手的充電距離，本部分的核心接收芯片選擇集成了符合無線電源聯(lián)盟(WPC)Qi v1.1通信協(xié)議所需的數(shù)字控制模塊。該模塊可為無線傳輸電能解決方案提供完整的非接觸式電源傳輸系統(tǒng)，并在盡量提高充電距離的基礎(chǔ)上建立從次級到初級的全局反饋。本部分集成了低電阻同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、數(shù)字控制器和精確的電壓和電流環(huán)路，以確保高效率和低功耗。本部分的數(shù)字控制器，首先計算移動設(shè)備在WPC Qiv1.1標準設(shè)置條件下所接收的功率，然后將該信息傳送到發(fā)射器，讓發(fā)射器判斷在磁性界面內(nèi)是否存在異物，以提高無線充電過程的安全性。本模塊通過使用符合無線電源聯(lián)盟(WPC)Qi v1.1通信協(xié)議的數(shù)字控制模塊提高了充電距離。

3.2 模塊充電電路

本模塊的充電部分主要完成充電功能,選用BQ25895作為充電芯片，充電電路如圖5所示。

圖5 充電電路原理圖

此款充電芯片是高度集成的開關(guān)模式電池管理和系統(tǒng)電源路徑管理器件，適用于各類電池。它的低阻抗電源路徑優(yōu)化了開關(guān)模式運行效率、減少了電池充電時間并延長了放電階段的電池壽命[10]。通常鋰離子電池的無線充電周期可分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止4個階段。其中在第四階段的充電終止過程中，連續(xù)涓流充電會導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。這使得電池不穩(wěn)定，并有自動快速解體的風(fēng)險。本部分設(shè)計能在無軟件控制情況下啟動并自動檢測電池電壓后完成一個新的充電周期，僅包含預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電3個階段，并在保證安全情況下提高充電電流，提高充電效率。在充電周期的末尾，當(dāng)充電電流低于在恒定電壓階段中預(yù)設(shè)定的限值時，充電自動終止。當(dāng)整個電池下降到低于再充電閾值時，充電器將自動啟動另外一個充電周期。

3.3 模塊保護和監(jiān)測電路

本模塊的保護電路和監(jiān)測電路主要為整個充電系統(tǒng)提供安全保障。模塊保護電路選用BQ2970芯片，模塊監(jiān)測電路選用BQ27542芯片，其電路原理圖如圖6所示。

圖6 保護電路及監(jiān)測電路原理圖

本模塊的保護電路在低功耗狀態(tài)下，實時監(jiān)控充放電的高電流狀態(tài)或電池過充及耗盡狀況時電流是否超出觸發(fā)閾值[11-12]。如超過觸發(fā)閾值，本部分將控制模塊停止充電，保障充電安全。本模塊的監(jiān)測電路可對鋰電池提供電量監(jiān)控。本部分的電量監(jiān)控不僅使用早期常用的通過監(jiān)視電池開路電壓而獲得剩余電荷容量的方法，還使用通過統(tǒng)計流入及流出電池凈電荷來估算剩余電荷容量的方法。在提供電池剩余電量監(jiān)控的同時，基于Impedance Track 技術(shù)的模塊監(jiān)測電路還提供充電狀態(tài)、續(xù)航時間、電池電壓、工作溫度及內(nèi)部短路判斷等信息的監(jiān)控，甚至可以繪制精確預(yù)測電池續(xù)航能力的電池放電模擬曲線。本部分還可以在電池老化、溫度變化以及電池自放電等環(huán)境改變下進行自動調(diào)節(jié)。

4 測試結(jié)果與分析

使用無線充電模塊進行無線充電測試，得到測試結(jié)果如圖7所示。由測試軟件監(jiān)測可知，單臺無線充電器轉(zhuǎn)換電流平均值為4.3 A，最大值能到8.6 A，單臺充電輸出電壓達到5 V，充電轉(zhuǎn)換效率為82.5%。無線充電過程中，充電設(shè)備接入數(shù)最高可達到8臺，平均可達到5.4臺。使用本無線充電模塊給5臺排列助手同時無線充電，共耗時12 h。使用本無線充電模塊給5臺手持電臺同時無線充電，共耗時3.2 h。由此可計算得單臺排列助手的平均充電時間為2.4 h，單臺手持電臺的平均充電時間為0.64 h。

圖7 無線充電測試圖

單臺充電器無線充電與常規(guī)有線充電測試結(jié)果對比見表1。在使用單臺充電器時，有線充電電壓和無線充電電壓均為5 V；無線充電平均電流為4.3 A，遠高于有線充電平均電流1.5 A；無線充電方式平均接入設(shè)備數(shù)量為5.4臺，遠高于有線充電設(shè)備數(shù)1臺。

表1 單臺充電器無線充電與常規(guī)有線充電測試結(jié)果對比

單臺充電設(shè)備不同充電方式測試結(jié)果對比見表2。單臺排列助手采用無線充電方式滿充平均耗時2.4 h，低于有線方式時4.3 h；單臺無線電臺采用無線充電方式滿充平均耗時0.64 h，低于有線方式時1.3 h。

表2 單臺充電設(shè)備不同充電方式測試結(jié)果對比

對比表明，采用無線充電方式的充電效率高于有線充電方式，而且無線充電不存在接口松動導(dǎo)致的充電效率下降的可能性。因此，無線充電方式在應(yīng)用于物探隊野外施工的離散式充電時效率更高。

5 結(jié)束語

針對物探隊野外施工研發(fā)的無線充電技術(shù)通過優(yōu)化設(shè)計及元件選型，不僅能并行充電，有效提高離散式充電的單臺充電效率，而且能減少對充電設(shè)備接口的物理傷害，降低充電短路風(fēng)險，提高充電安全性及可靠性。但是，無線充電技術(shù)對于充電操作的規(guī)范性要求更高，對充電環(huán)境溫度和濕度要求也更高。野外施工人員需要接受相應(yīng)的培訓(xùn)并選擇更合適的充電場所進行操作。相對于傳統(tǒng)的有線充電方式，無線充電方式具有可多設(shè)備并行充電、單臺充電效率高、安全性高等優(yōu)點，適用于物探隊野外施工，值得進一步研究。