适用于物探队野外施工的无线充电技术研究

乐 强，袁久春，张 怀，朱 勇，况 伟

(中国石油东方地球物理勘探有限责任公司西南物探分公司 四川 成都 610213)

0 引 言

随着地球物理勘探技术向“两宽一高”的高精度地震勘探方向发展，野外勘探由传统全有线仪器向有线、无线仪器联合施工转变。伴随着施工模式的转变，需要充电的勘探设备也逐渐增多。节点系统、排列助手、手持电台、遥爆系统、传统有线设备为确保正常工作均需要定期充电。其中，对于节点系统、传统有线设备、遥爆系统的充电，为了提高充电效率，采用集中式充电方式，需要建立独立的充电房。节点系统通常使用专业充电架进行高电流大功率有线方式充电。传统有线设备和遥爆系统采用铅酸电瓶作为供电电源，通常由专业人员充电。而采用可充电电池供电的排列助手和手持电台由于受野外施工环境限制及设备的分布离散性影响，通常采用离散式充电方式，因地制宜使用民用电路充电。

在野外施工状况下，使用有线常规方法充电的设备常面临三大问题：①充电接口易损坏。充电设备在野外频繁充电不仅容易导致充电接口松动引起的充电效率下降，而且可能导致设备防水性下降以及接口损坏无法充电。②充电效率低。受野外环境限制无法使用单个充电器同时并行给多个设备充电，使得充电效率降低。③充电安全性低。受野外充电电压不稳定、通用充电器无法长期连续充电、充电系统线路容易损伤等因素影响，充电时有损坏设备电路甚至引起火灾的风险。因此，如何有效解决在野外复杂环境下多设备安全高效充电的问题，成为保障物探队野外顺利施工的一大重点。

1 无线充电技术及其特点

无线充电技术源于无线电能传输技术，是不以任何导线或其它固态介质作为载体，基于空气介质实现电能传输的新型技术[1]。不同于传统有线充电方式，无线充电无需借助导线等物理介质作为媒体，广泛应用于家居、家电、医疗、航空等领域，正在向其他领域的充电系统扩展。无线充电技术可通过电磁感应式、电磁共振式、电磁耦合式、无线电波式实现。

相对于有线常规充电方式，新型无线充电方式有以下三大特点：①充电无物理性损坏。充电时无需物理接触，能保护充电品的外壳完全不受拔插伤害，不仅最大程度地保证充电电路的硬件完好而且对充电设备的防水性也起到有效保障。②充电高效性。单个无线充电器可对多个充电设备并行充电，这样能保障在外部环境复杂、电路端口有限的情况下对多个设备充电的高效性。③充电安全性。因为能对多个充电设备以非物理接触方式充电，大幅降低了充电设备电路损坏以及引起火灾的概率。因此，将无线充电技术应用于物探队野外离散式充电能在正常充电的同时减少物理性损坏、提高充电效率、保障充电安全。

2 无线充电方案设计

2.1 实现方法

目前物探队施工使用的排列助手和手持电台等常规离散式充电设备主要由锂电池、镍氢电池等充电电池供电，只能接受直流方式充电。市场通用的无线充电器能将电能转换成磁能。因此，需要设计一款无线充电模块进行能量转换，帮助通用无线充电器实现给常规设备进行无线充电的功能。无线充电模块工作流程如图1所示，无线充电模块能在无物理接触的状况下将通用无线充电器所产生的磁能转换为直流电能，用于给常规设备充电。在充电过程中，无线充电模块还需要保护本模块及充电设备在高温、过载电流等异常情况下的工作安全。

图1 充电流程示意图

2.2 充电方式选型

无线充电方式主要有电磁感应式、电磁共振式、电磁耦合式和无线电波式。电磁感应式原理是电流通过线圈，线圈产生磁场，对附近线圈产生感应电动势，从而产生充电电流。电磁感应式通常传输功率小于10 W，具有通用性好、兼容性强、转换效率好的优点[2]。电磁共振式原理是发送端能量遇到共振频率相同的接收端，由共振效应进行电能传输。电磁共振式的传输功率达几千瓦，特点是可实现远距离的无线充电，但转化效率较低。电磁耦合式原理是利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能。电磁耦合式传输功率小于10 W，特点是转换效率高、发热量低、可在短距离内对多个设备同时充电。无线电波式原理是将环境电磁波转换为电流，通过电路传输电流[3-4]。无线电波式传输功率大于100 mW,特点为传输效率低、充电距离远。通过对四种方式无线充电技术的对比，电磁耦合式具有转换效率高、发热低、安全性好、传输距离优于电磁感应式、市场化成熟性高等优势，适用于应对野外使用的电压不稳定民用电路，更适合物探队野外离散式充电。因此，本次模块充电方式选用电磁耦合式。

2.3 标准选择

目前主流无线充电标准有5种，Qi标准、PMA标准、A4WP标准、iNPOFi标准和Wi-Po标准[5]。其中Qi标准是全球应用最广、合作伙伴最多的无线充电联盟(WPC)的标准[6]。Qi标准采用了目前最为主流的电磁感应技术，具备兼容性以及通用性两大特点。拥有Qi标识的产品都可以使用Qi无线充电架构充电，从而解决了通用性问题。具有更好兼容性和通用性的Qi标准更适合使用于野外民用电路。因此，本次模块标准选用Qi标准。

2.4 架构设计

系统的充电原理如图2所示。

图2 无线充电原理图

充电系统由通用无线充电器的发射器线圈L1和无线充电模块的接收器线圈 L2组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。这种电压可用于为野外充电设备电池充电。系统采用WPC1.1磁耦合技术，利用支持Qi标准的无线充电线圈，通过导磁片反射方式，提升充电效率与充电速度[7-8]。

基于以上充电原理，无线充电模块的总体架构如图3所示，共分为4个部分。首先，模块转换部分利用满足Qi标准的无线接收线圈与通用无线充电器无线发射线圈靠近，将无线发射端发射的电磁能量接收到无线接收线圈，通过模块转换部分将无线线圈中的交流电转化为稳定的直流电传送到下一级有线充电部分。其次，模块充电部分利用内置芯片的充电算法，安全高效地对电池组进行充电。再次，模块监测部分实时对电池的电压、温度、电量等参数进行监测，并通过数据传输端口将电池组的状态信息发送到整个系统的控制端。最后，模块保护部分对充电状态下电池出现的过度充电、过度放电、温度异常、短路等异常情况进行及时的保护响应，保证电池组及整个系统的安全运行。综上所述，模块的充电流程能满足物探队在野外的离散式充电需求。

图3 无线充电模块总架构图

3 模块的硬件电路设计

无线充电模块主要按照总体架构进行硬件电路设计，需要在实现无线充电功能基础上提高充电效率及安全性。充电模块的硬件电路由模块转换电路、模块充电电路、模块保护电路和模块监测电路4部分组成。

3.1 模块转换电路

本模块的转换部分主要将通用无线充电器上的磁能转换为直流电能。模块转换部分选择BQ500215作为核心接收芯片，其原理如图4所示。

图4 无线接收芯片原理图

该部分通电后进行自动检测，同时提供无线接收器接收无线充电端所输出的电能；接着，将接收到的交流电转化为直流电[9]。为了提高排列助手的充电距离，本部分的核心接收芯片选择集成了符合无线电源联盟(WPC)Qi v1.1通信协议所需的数字控制模块。该模块可为无线传输电能解决方案提供完整的非接触式电源传输系统，并在尽量提高充电距离的基础上建立从次级到初级的全局反馈。本部分集成了低电阻同步整流器、低压降稳压器(LDO)、数字控制器和精确的电压和电流环路，以确保高效率和低功耗。本部分的数字控制器，首先计算移动设备在WPC Qiv1.1标准设置条件下所接收的功率，然后将该信息传送到发射器，让发射器判断在磁性界面内是否存在异物，以提高无线充电过程的安全性。本模块通过使用符合无线电源联盟(WPC)Qi v1.1通信协议的数字控制模块提高了充电距离。

3.2 模块充电电路

本模块的充电部分主要完成充电功能,选用BQ25895作为充电芯片，充电电路如图5所示。

图5 充电电路原理图

此款充电芯片是高度集成的开关模式电池管理和系统电源路径管理器件，适用于各类电池。它的低阻抗电源路径优化了开关模式运行效率、减少了电池充电时间并延长了放电阶段的电池寿命[10]。通常锂离子电池的无线充电周期可分为预充电、恒流充电、恒压充电、充电终止4个阶段。其中在第四阶段的充电终止过程中，连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这使得电池不稳定，并有自动快速解体的风险。本部分设计能在无软件控制情况下启动并自动检测电池电压后完成一个新的充电周期，仅包含预充电、恒流充电和恒压充电3个阶段，并在保证安全情况下提高充电电流，提高充电效率。在充电周期的末尾，当充电电流低于在恒定电压阶段中预设定的限值时，充电自动终止。当整个电池下降到低于再充电阈值时，充电器将自动启动另外一个充电周期。

3.3 模块保护和监测电路

本模块的保护电路和监测电路主要为整个充电系统提供安全保障。模块保护电路选用BQ2970芯片，模块监测电路选用BQ27542芯片，其电路原理图如图6所示。

图6 保护电路及监测电路原理图

本模块的保护电路在低功耗状态下，实时监控充放电的高电流状态或电池过充及耗尽状况时电流是否超出触发阈值[11-12]。如超过触发阈值，本部分将控制模块停止充电，保障充电安全。本模块的监测电路可对锂电池提供电量监控。本部分的电量监控不仅使用早期常用的通过监视电池开路电压而获得剩余电荷容量的方法，还使用通过统计流入及流出电池净电荷来估算剩余电荷容量的方法。在提供电池剩余电量监控的同时，基于Impedance Track 技术的模块监测电路还提供充电状态、续航时间、电池电压、工作温度及内部短路判断等信息的监控，甚至可以绘制精确预测电池续航能力的电池放电模拟曲线。本部分还可以在电池老化、温度变化以及电池自放电等环境改变下进行自动调节。

4 测试结果与分析

使用无线充电模块进行无线充电测试，得到测试结果如图7所示。由测试软件监测可知，单台无线充电器转换电流平均值为4.3 A，最大值能到8.6 A，单台充电输出电压达到5 V，充电转换效率为82.5%。无线充电过程中，充电设备接入数最高可达到8台，平均可达到5.4台。使用本无线充电模块给5台排列助手同时无线充电，共耗时12 h。使用本无线充电模块给5台手持电台同时无线充电，共耗时3.2 h。由此可计算得单台排列助手的平均充电时间为2.4 h，单台手持电台的平均充电时间为0.64 h。

图7 无线充电测试图

单台充电器无线充电与常规有线充电测试结果对比见表1。在使用单台充电器时，有线充电电压和无线充电电压均为5 V；无线充电平均电流为4.3 A，远高于有线充电平均电流1.5 A；无线充电方式平均接入设备数量为5.4台，远高于有线充电设备数1台。

表1 单台充电器无线充电与常规有线充电测试结果对比

单台充电设备不同充电方式测试结果对比见表2。单台排列助手采用无线充电方式满充平均耗时2.4 h，低于有线方式时4.3 h；单台无线电台采用无线充电方式满充平均耗时0.64 h，低于有线方式时1.3 h。

表2 单台充电设备不同充电方式测试结果对比

对比表明，采用无线充电方式的充电效率高于有线充电方式，而且无线充电不存在接口松动导致的充电效率下降的可能性。因此，无线充电方式在应用于物探队野外施工的离散式充电时效率更高。

5 结束语

针对物探队野外施工研发的无线充电技术通过优化设计及元件选型，不仅能并行充电，有效提高离散式充电的单台充电效率，而且能减少对充电设备接口的物理伤害，降低充电短路风险，提高充电安全性及可靠性。但是，无线充电技术对于充电操作的规范性要求更高，对充电环境温度和湿度要求也更高。野外施工人员需要接受相应的培训并选择更合适的充电场所进行操作。相对于传统的有线充电方式，无线充电方式具有可多设备并行充电、单台充电效率高、安全性高等优点，适用于物探队野外施工，值得进一步研究。