基于物联网的移动无线充电路径规划研究

基于物联网的移动无线充电路径规划研究

王东林

340104196808042032 深圳市北电仪表有限公司 广东省深圳市 518000

摘要：目前，移动无线充电已经在电动汽车、智能手机等多个领域内广泛应用，但根据现有的技术看来，移动无线充电在距离、充电功率等方面始终存在一定的问题，导致移动无线充电的稳定性较差。随着物联网技术的持续发展，也展现出在移动无线充电中的应用价值。文章主要基于物联网技术，探讨了移动无线充电的路径规划，在简单分析现有设备无线充电技术路径的前提下，分析在物联网环境下的移动无线充电技术优势和应用场景，从总体平台架构、平台接入方法、充电终端规划以及路径技术要求等多个方面出发，针对移动无线充电在物联网技术加持下的充电规划路径进行研究。

关键词：物联网；移动无线充电；路径规划

以现有的移动无线充电技术发展看来，目前主要是针对静态充电器的部署以及移动充电器的路径部署进行研究，整体的研究规划较为片面，尚未从宏观平台层面进行调整。随着物联网技术的持续发展，移动无线充电路径规划需要在有限的时间内保障移动充电器充电效应得到最大化的提升，换言之，要在有限的时间内保证充电器能够遇到数量最多的传感节点进行充电。在传统移动无线充电路径的影响下，充电效率和功率等方面都存在一定的问题，尤其是对于电动汽车这类大型终端的移动无线充电而言，因为在充电平台的接口、结构等方面都存在一定的问题，充电功率和效率始终无法达成预期目标。基于此，本文探讨了物联网技术背景下的移动无线充电路径规划策略，为移动无线充电路径的调整和优化提供参考。

1、现有设备无线充电的技术路径

结合现有的技术发展看来，智能设备无线充电中应用最为广泛的技术便是电感耦合技术。这类技术的原理是需要将电感在无线充电器和智能设备终端分别进行安装，随后充电器并可以利用震荡器产生电感线圈谐振频率震荡，这些能量完全可以利用电磁波的方法，从充电器直接耦合到智能设备端，智能设备可以利用整流器将之前电磁波中存在的能量直接转化为直流电进行充电。现如今，电感耦合无线技术已经进入发展成熟阶段，2010年便提出了电感耦合无线充电标准，而经过10余年的发展，包括智能手机汽车在内的绝大部分智能设备以及TI、NXP等在内的传统模拟芯片企业都能够提供多种类型的电感耦合无线充电芯片产品。这种无线充电的主要技术优势是因为电感耦合的存在使得充电效率明显提高，但充电距离同样也限制在了厘米范围内[1]。

小米发布的隔空充电技术，实际上是电感耦合无线充电的另一种技术表达方式，可以利用远场电感耦合达成无线充电的目标。这种技术方法能够在较远的距离内进行充电，充电器可以产生频率相对就高的电磁波，并将其利用天线发射到空间中，智能设备端也可以用天线针对这种电磁波能量进行接收，同样利用整流器将其转化为直流电进行电池充电。也正是因为利用天线完成电磁波的接收和发射，整体的充电距离不会受到限制。

总体看来，这种远场电池耦合技术应用始终面临着电磁波对准等方面的问题。在常规天线应用的状况下，充电器端产生的电磁波能量会向空间的多个方向进行传播，意味着充电器端发射出的能量仅有很小的一部分，能够被智能设备所接收，充电效率明显下降。如此一来，便需要利用天线阵列波束成形方式，确保电磁波能量能够直接向着智能设备所在的方向进行传输[2]。此外，智能设备也需要结合充电器的方向，确定电磁波能量的发射方向，这也是小米发布技术中充电器同样包含一组天线阵列配合算法定位智能设备位置的主要原因。

除了目前应用较为频繁的近场和远电感耦合技术之外，红外光能量传递也是无线充电技术的主要方法，这种方法与远场电感耦合相似度较高，红外光无线充电也能够摆脱之前的距离限制，并且在传输过程中，红外光并不需要如同电磁波一样进行波束成形，红外光本就是沿着直线进行点和点的传播。正因如此，充电器端同样需要引入天线阵列，整体的移动充电路径规划较为简洁，充电效率有所提高，同时相较于无线电波频段的电磁波，红外光能量传输最大值明显提高，最大充电功率有着较大的发展空间。

2、物联网环境下的移动无线充电技术优势及其应用场景

2.1应用优势

早期移动无线充电技术形成的最终目标是缓解移动设备在运行过程中的电池充电问题。随着物联网技术的持续发展，移动无线充电技术也将物联网环境以及相关技术引入其中，物联网技术的发展代表着多个设备可以集成建立完善的体系，无线充电技术的发展速度也进一步加快，能够为不同类型的智能设备提供相应的电力，并且设备的电量管理也变得更加便捷。无线充电技术在物联网环境下能够有效地解决设备电池容量方面的问题，在传统物联网技术的影响下，诸多智能设备的电池容量较小，并且在长时间使用之后，电池的总体容量会进一步压缩。无线充电技术能够做到随时随地进行充电，可以摆脱电池容量方面的限制[3]。此外，无线充电技术的充电效率有所提高，在传统充电方式的影响下，较高功率的充电效果有所下降，而移动无线充电技术的应用能够明显提高较高功率的充电效率，这对于部分智能设备的大功率充电有着十分重要的作用。同时，物理网环境下的移动无线充电技术应用使得充电中的能量损耗能够明显下降，在传统充电方式的影响下，能量损耗较高，会出现明显的能源浪费现象，移动无线充电技术可以在提高功率的同时，有效地降低能量消耗，从而达成节能的目标。

2.2应用领域

随着我国物联网环境的持续发展，移动无线充电技术得以在智能家居、智能汽车和无人机等多个领域广泛应用。移动无线充电技术可以在智能家居的智能插座、灯具等各个设备中使用，利用无线充电技术进行充电，使得相关设备真正能够做到随时随地摆脱电量焦虑。智能灯具在引入移动无线充电技术之后能够减少充电线的使用频率，内部家居环境变得更加美观。对于智能汽车发展而言，移动无线充电技术同样可以在充电站、充电器这类设备中应用，移动无线充电技术在智能充电站中的应用能够有效减少电线杆的数量，充电站美观性明显提升。同时，汽车充电器在引入无线充电技术之后，也能够摆脱充电线的限制，充电变得更加方便快捷。对于无人机发展而言，无线充电技术的应用能够帮助无人机摆脱之前传统充电方式带来的限制，通过远距离的方法进行充电，保障无人机能够处于长时间的稳定工作状态。

3、物联网的移动无线充电路径规划分析

3.1总体平台架构

物联网环境下的移动无线充电路径，同样需要建立与之相对应的物联网平台架构，保障各种智能设备终端能够在感知、计算、执行信息的前提下，确保人与物、物与物之间进行通信。物联网环境下的移动无线充电平台涉及了5种类型的网络边界，具备连接管理、设备管理、网络管理等多项功能，同时能够向客户群体提供有关数据汇总、基础管理等多项服务。

从现阶段的技术发展看来，物联网环境下的移动无线充电平台可以分为两个子平台，以数据和业务中台为主，企业可以通过中台建设保障信息架构逐渐向着微应用、大中台、强后台融合方向发展。业务中台能够在执行对应关键工作的前提下，确保工作的共性内容能够进行整合以及共享，并配合各种程序模型，为前置端口使用提供必要的数据支持，工作处理效率明显提升[4]。数据中台则是将工作数据作为核心，在完成数据信息共享的同时，深入挖掘数据的相关特性，在发现有价值信息的前提下，确保多业务服务能够进行横向以及纵向沟通。

物联网环境下的移动无线充电平台需要在明确不同层级所属内容的前提下保障，会逐渐向着开放性方向发展，促进数据模型以及系统接口的统一，在检测需求导向的前提下进行分类分级建设，以此满足不同智能终端设备以及单位的实际需求。

3.2平台的接入方式

物联网环境下的移动无线充电平台是物体和物体之间的通信网络平台，本质上便是充电器以及智能设备终端二者之间的通信平台，保障智能设备能够与电力互联网平台有效连接，以此完成电能的传递、转换、耦合等环节，并且也能够对于各种充电信息进行感知、计算、执行、传输和处理，具体所使用的理论包括了现代电力电子技术、电路学、电力工程自动化等。有关智能设备的无线充电系统，具体构成部件可以分为智能设备、无线充电终端平台、电网侧电源。相关人员可以利用麦克斯韦理论电磁场理论、电磁耦合谐振技术等，确保电网侧电源的电能能够有无线充电平台终端有效对接，引入磁耦合互感电路模型作为基础，保障无线充电平台终端能够对智能设备及时进行充电。目前应用移动无线充电技术的智能设备结构较为复杂，并且也存在明显的多元化发展倾向，无线充电终端平台的大致组成部分包括谐振电路、整流电路、逆变电路等，而无线充电平台终端是与电网侧电源利用终端控制开关进行电源的开关控制[5]。

3.3充电终端规划

物联网环境下的移动无线路径规划始终是利用无线充电终端设备保障智能设备可以与电力互联网平台有效连接，无线充电终端是以TCU设备为主，可以针对设备的状态、电气量和环境量这类数据，使用现代化传感器直接或者间接进行采集以及测量，拥有最为基础的数据通信控制和处理等多项功能。这类终端设备完全可以按照已有的逻辑规律满足在信息安全管理和网络方面的需求，并且全新研发的TCU终端接入设备。需要经过安全测试合格之后方可进行使用。此外，在运行过程中要对电力互联网运营商提供的各种专用VPN网络定期开展检查工作，确保专用网络能够在达成终端网络隔离以及终端机卡绑定等方面需求的前提下，发挥其网络监视、设备网络管理等多方面的功能。

物联网环境下的移动无线充电路径规划要求电力物联网的需求侧终端进行资源交互，无线充电平台的TCU终端功能大致以充电控制、信息采集、日志管理、故障自动检测等为主。充电控制是以计费控制单元为主，具备有卡以及无卡充电的功能，用户完全可以通过二维码扫描、刷卡充电等多种方法进行身份识别，获得相应的充电服务。无线充电平台的信息采集则能够针对各种智能设备终端的状态信息、系统运行状况以及登录信息等进行采集，并将其转发到系统后台。日志管理主要是针对充电平台的TCU终端日志定期开展记录、分析和查询，以用户登录、注销、退出等记录为主。故障自动检测则是在充电设施出现故障现象之后，对于故障点自动进行检测，识别相应的故障类型，并将相关信息上传到系统后台。

目前用于电动汽车领域的移动无线充电平台需要为其设置相应的电能计费功能，针对无线充电平台的状态信息、告警信息和参数信息全方位信息采集，利用控制指令对于无线充电平台的启停进行管控，同时要结合实际的充电状况，对于充电功率进行控制。充电终端设备可以满足各种智能设备以及无线充电平台的日常充电、维护等方面的需求，计费控制也是其中最为主要的功能，尤其是对于电动汽车领域而言，可以在终端设备的操作系统以及软件平台统一的情况下，选择相应型号的智能电表，将信息感知采集技术引入其中，精细计算电动汽车充电之后的费用。

在移动无线充电路径规划的过程中，驱动控制电路也是其中不可或缺的重要组成部分，能够针对整个充电过程的开关精准进行控制，并且也能够为电力互联网平台的其他设备接入提供必要的接口装置。在移动无线充电路径规划的过程中，驱动控制电路能够保障充电系统模型保持稳定状态，避免出现电功率上下大幅度波动的状况，充电系统的使用效率明显提高。此外，三相交流电源也可以借助充电测量线圈实现交直流电源的有效转换，而电压采集器则能够对输入、输出电压的状况实时收集，确保终端电路能够始终保持一种稳定运转状态。

3.4移动无线充电路径的技术要求

随着互联网技术的持续发展，各种移动智能设备都倾向于使用移动无线充电技术，在克服传统充电距离限制的同时，提高整体的充电效率和质量，但同样也衍生出相应的安全问题。总体看来，在移动无线充电路径规划的过程中，平台使用的APDU模块包括了APCI以及ASDU模块，二者可以在工作中进行动态交互，以此促进应用平台上的数据以及协议交互。在TCU装置选择与电力互联网平台建设映射关系之后，可以利用上传协议实现下层的响应，物联网平台也可以在接受对应的信息之后，通过操作指令下发执行方案[6]。

从物联网数据交互层面看来，在TCU交易以前需要从系统后台获取对应的数据，并且要做到实时进行更新，更新的频率为每小时一次。电力互联网平台在获得终端信息之后，需要进行二进制转换，在管理平台上执行各种操作请求，随后将对应的执行参数发送给终端执行服务器。

电力物联网平台的终端设备接口需要使用标准的API接口，以此完成数据贯通，通常会在信息内网以及信息外网完成服务的部署，贯通数据以结构化数据、图片类数据、办公文件数据、录音录像类数据等为主。位于移动无线充电平台中的全体接口，必须通过认证之后才能够使用，具体包括了API密钥、JSON Web等，验证的具体内容以用户的注册信息、接口访问权限、访问次数等为主，借此发挥维护数据、信息安全的作用。平台中的ESAM模块需要拥有加密、解密运算以及存储密钥等多项功能，并且控制模块需要形成对于ESAM模块的启动权限，以此为基础完成安全认证和数据保护工作。

移动无线充电平台内部设计的安全接口需要统一收集、分析无线充电平台中收集的各项数据和信息，如果出现了超过安全阈值指标要求或者是各种非法操作行为，需要及时发出安全警告，包括设备异常警告以及用户行为异常警告。无线充电平台中的安全监控系统一般都会使用全面分析评估的方法，针对充电设备进行全过程的管控，而从多个层面完成充电数据的分析工作之后，能够针对潜在的各种风险信息进行通报预警，并通过利用可视化设计方法，从多个维度展示全部数据，挖掘其中的价值。目前监控系统也需要针对无线充电平台终端设备的配置文件合法、合规与否定期开展安全核查以及评估，并将最终的结果上传到系统后台，针对其中存在的相关问题由相关人员要给出对应的修复以及预防措施。

总结

社会公众对于智能设备充电的自动化和智能化要求也在不断提高，相关专家学者对于无线充电技术的研究也变得越发深刻，移动无线充电技术变得更加完善。现如今，物联网技术已经建立了物体之间完善的通信网络，也为移动无线充电技术的路径规划提供了全新的技术支持。基于物联网技术形成的移动无线充电平台，需要相关单位在明确其基本原理和接入方式的前提下，针对整体平台架构、充电终端和系统安全等多个方面合理进行规划，通过室内外环境的对比实验，在明确平台充电终端主要功能和控制方法的前提下，对于通信协议以及端口规范进行调整，保障移动无线充电技术能够在提高其充电效率和质量的同时，维护相关信息的安全性。

参考文献

[1]何琴. 基于时间窗口的多充电车调度研究[D].四川师范大学,2023.

[2]安梓文. 无人机辅助的无线可充电传感器网络充电效率最大化策略研究[D].吉林大学,2023.

[3]吴润泽,王浩楠,郭昊博等.基于机器学习的自适应双模协同无线充电调度策略[J].电力系统保护与控制,2023,51(08):86-95.

[4]邳志刚,张毅.矿用物联网设备无线充电方案研究[J].煤炭技术,2023,42(04):241-244.

[5]王煜.基于物联网下的无线充电共享电动车立体车库设计[J].电子技术与软件工程,2023(06):91-94.

[6]吴昊文,杜浩东,谢文旺等.无线充电在模块智能用电终端上的应用[J].自动化与仪器仪表,2022(06):257-260.