基于QI協議的無線充電通信系統

胡江浩 張中煒

【摘要】 無線充電技術的學名又叫做無線電能傳輸，其原理非常類似于變壓器，都是通過發射電路產生一個交變電流通過初級線圈，從而在初級線圈上感應出一個交變電磁場，次級線圈通過接收該交變電磁場從而產生感應電流，通過電磁感應實現能源的傳輸。該文主要介紹了一種無線充電領域中的基于QI協議的通信系統，該通信系統主要是通過ASK與FSK方式進行雙向通信，并建立了一個完整的通信狀態控制機制從而實現了運用在無線充電領域中的數字通信技術。

【關鍵詞】 無線充電 QI協議 ASK FSK 雙向通信

無線充電技術的學名又叫做無線電能傳輸，其原理是通過電磁波實現能量傳輸，本文主要介紹了一種在無線充電領域中的通信系統。

一、無線充電通信系統

在本文所介紹的無線充電通信系統中，在發射端與接收端之間有兩種通信鏈路。其中從接收端（RX端）到發射端（TX）的通信為ASK方式，從TX到RX端的通信為FSK方式。

1.1 接收端到發射端通信

這一節主要是介紹從RX端到TX端的通信。包括RX端到TX端調制和RX端到TX端解調。

1、RX端到TX端調制。接收端通過發送通信包來與發射端進行通信，包括能量需求包、接收能量包、接收器ID號包以及版本包、接收器額定功率包、以及充電指令包等。

上圖展示了RX端的負載調制技術。RX端通過開關調制電阻（Rm，交流側或直流側）或者調制電容（Cm，交流側）來進行負載調制。對RX端線圈上的電壓或電流的調制是通過連接與斷開調制阻抗（電阻或電容）來實現的。接著TX端解調器解調在接收線圈上電壓（>200mV）或電流（>15mA）的幅度變化。

2、RX端到TX端解調。隨著RX端在能量信號上加載通信信號后，TX端必須從能量信號上解調通信信號以便完成后面的整體系統控制。下圖顯示了在TX端線圈上的能量信號與通信信號的相互耦合。

發射端系統通過軟件方式來實現解調，這種技術也稱為數字解調技術。發射端系統通過一個簡單、低成本的RC電路直接檢測在諧振電容上的電壓，并通過一個高速的ADC模塊處理該信號。當諧振電容的電壓值被獲取后，等效的諧振電流值也能夠計算出來。在這之后，系統繼續解調從RX端發過來的數據信號包以便用于之后的系統整體控制。

1.2 發射端到接收端通信

1、發射端到接收端信號調制。發射端通過發送通信包與通信模式包來與接收端進行通信。包的種類包括發射器ID號包、發射器版本包、發射功率包、接收功率包。發射端通過在兩個運行頻率之間（fop與fmod）切換來調制能量信號。

發射端通過在一個特定的時間間隔調制能量信號從而避免與能量接收端通信的沖突。發射端要在接收端發送過來的請求包之后才能進行信號調制，包括響應請求階段、校準階段以及能量傳輸階段。

2、發射端到接收端信息編碼。發射端以差分雙向方式進行編碼以便調制數據能順利加載到能量信號上。為了這個目的，發射端每隔512個周期進行一次數據校準。發射端通過在一個能量信號頻率中跳變兩次來定義邏輯1，第一次跳變發生在數據位的開始階段，第二次跳發生在信號能量過了256個周期以后。發射端通過在能量信號頻率上使用一次跳變來定義邏輯0，這種方式在512個周期內改變一次頻率。

結論：本文通過采用ASK與FSK的通信調制方式實現了通信系統的底層數據的通信。并通過狀態機制建立了整個通信系統的狀態控制。建立了一個完整的通信狀態控制機制從而實現了運用在無線充電領域中的數字通信技術。

參 考 文 獻

[1] Madawala U K， Thrimawithana D J. A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2011， 58（10）： 4789-4796.

[2] Nehrir M H， Wang C， Guda S R. Alternative energy distributed generation： Need for multi-source operation[C]//Power Symposium， 2006. NAPS 2006. 38th North American. IEEE， 2006： 547-551.

[3] Gaonkar D N， Patel R N. Modeling and simulation of microturbine based distributed generation system[C]//Power India Conference， 2006 IEEE. IEEE， 2006： 5 pp.

[4]Kissin M L G， Boys J T， Covic G. Interphase mutual inductance in polyphase inductive power transfer systems[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2009， 56（7）： 2393-2400.