0 引言

    感應耦合電能傳輸(ICPT)作為一種新型的無線電能傳輸技術，克服了傳統的通過導線傳輸電能所帶來的安全隱患和功能上的局限^[1]。然而在很多實際應用中，不僅要滿足電能的傳輸要求，同時還要實現信號的實時傳輸。例如，在石油鉆井、內置式醫療電子裝置等特殊應用環境中，在完成能量傳遞的同時，不僅需要由原邊不斷向副邊發送控制指令，還需要將副邊監測到的信息實時地反饋到原邊。

    在以往的眾多關于ICPT系統信號傳輸研究中，經常采用額外增設一對信號耦合線圈，使信號和能量分開傳輸，不僅增加了系統設計的復雜度，還存在能量線圈與信號線圈之間相互干擾的問題。或者只研究了信號從系統原邊向副邊傳輸或副邊向原邊傳輸的單向傳輸方式^[2-8]。現有的信號由原邊向副邊傳輸的方法多采用在系統主電路增設開關器件，當開關斷開時，只能依靠電路中電感電容儲存能量給后級供電。傳輸速度較慢，且只能工作在小功率的情況下。

    本文針對ICPT系統中的信號全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關選擇不同幅值輸入電壓進行信號正向傳輸，調節副邊補償電容進行信號反向傳輸的方法，不僅大大提高了傳輸的速率，而且實現了信號的全雙工傳輸。

1 系統結構及傳輸原理

1.1 信號調制原理

    圖1所示為ICPT系統原理圖。系統可分為初級回路和次級回路。初級回路通過變換器把直流電壓逆變為高頻交流電壓，在原邊產生交變磁場耦合到副邊，副邊感應出電動勢，經過補償以及整流濾波后給負載提供電能。

    典型的全橋逆變SP（電容在電路中初級串聯，次級并聯）型補償電路及其等效電路如圖2、圖3所示。

    SP結構次級阻抗Z_S可寫為：

    在原副邊電路參數一定的情況下，由式(5)可知，僅改變輸入電壓V_in會改變次級電流I_S的大小。由式(1)、式(3)、式(6)可知，改變C₂容值，將改變副邊線圈對原邊的反射阻抗Z_r，進而改變原邊電流幅值I_P的大小。

    因此，可以選擇合適的輸入電壓V_in和調節電容C₉，根據不同數字信號“0”或“1”來調節選通開關和副邊補償電容，設定次級向初級傳輸速度是初級向次級傳輸速度的兩倍。由式(4)、式(5)可知，在初次級電路參數不發生改變的情況下，改變輸入電壓V_in，初次級電流I_P、I_S均會改變。當C₂容值改變時，原邊電流幅值I_P變化比較大，副邊電流幅值I_S變化非常小。因此，在原副邊電流由于除自身變化引起的幅值變化外，還有另外一側變化對其產生影響，因此在原副邊都會產生四種幅值不同的電流。通過檢測原副邊電流幅值的包絡特征來進行信號的解調，從而實現信號全雙工傳輸。

1.2 原副邊調制電路

    根據以上推導，分別在ICPT系統的原副邊增加信號調制機構。如圖4所示，原邊調制部分主要由boost升壓電路和選通開關S1、S2組成。傳送數字信號“0”時，選通開關S2導通，直接獲取電源電壓。傳送數字信號“1”時，選通開關S1導通，獲取經boost升壓之后的電壓。通過選取不同的電源電壓幅值，從而獲得幅值不同的次級電流幅值。如圖5所示，副邊調制部分主要由共E極反串聯式開關S3和調制電容C9組成。傳送數字信號“0”時，開關管S3關閉，次級補償電容為C₂，系統處于正常的諧振狀態。傳送數字信號“1”時，開關管S3導通，次級補償電容變為C₂+C₉，反射到原邊的阻抗將改變，從而改變原邊的電流幅值。對原副邊電流的幅值包絡進行解調，就得到傳輸的數字信號。

2 松耦合變壓器

    松耦合變壓器是感應耦合式電能傳輸系統的核心組成部分。由于松耦合變壓器初次級線圈之間存在較大氣隙，漏磁明顯，導致能量傳輸能力和效率較低。為了減少漏磁，改善系統傳輸性能，提高傳輸效率，本文采用了一種桶形變壓器。在Maxwell中建立桶形變壓器2D、3D模型如圖6、圖7所示。

    磁芯采用PC40，內磁桶為變壓器原邊，采用20匝線圈緊貼內磁桶外壁纏繞；外磁桶為變壓器副邊，采用21匝線圈緊貼外磁桶內壁纏繞。磁芯尺寸如表1所示。

3 Simulink，Simplorer，Maxwell聯合仿真

    采用Simulink產生兩路互補的PWM波控制全橋逆變器的相互導通，仿真中直接選用兩路不同幅值電源電壓，隨機產生數字信號“0”“1”控制原邊選通開關S1、S2和共E極反串聯式開關S3，將Maxwell中變壓器模型導入到Simplorer中，對全橋逆變SP型補償電路進行整體仿真分析。仿真電路如圖8所示。仿真電路具體參數如表2。

    根據S1、S2的選通頻率可得初級向次級每400 μs傳遞一位數字信號，圖9所示為初級全橋逆變器之后的電壓電流波形。從電壓包絡可以看出，初級所要傳輸的信號為“1011111”。圖10所示為次級電流，根據其包絡特征，可得次級線圈拾取到從原邊向副邊傳遞的數字信號為“1011111”。

    根據S3的選通頻率可得初級向次級每200 μs傳遞一位數字信號，圖11所示為調節電容C₉的電壓波形，從電壓包絡可以看出次級所要傳輸的信號為“10111111011101”。圖12所示為初級電流，根據其包絡特征，可得副邊向原邊傳遞的數字信號為“10111111011101”。

    以上仿真結果表明，通過電流幅值可以準確地解調信號，該方法可以實現感應耦合電能傳輸系統中的信號全雙工傳輸。

4 結論

    本文通過對感應耦合式電能傳輸系統輸入電壓幅值和副邊補償變化對系統電流幅值產生的影響進行分析。針對 ICPT 系統中的信號全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關選擇不同幅值輸入電壓進行信號正向傳輸，調節副邊補償電容進行信號反向傳輸的方法。進行了系統仿真，驗證了方法的可行性。該方法為ICPT系統中信號全雙工傳輸提供了一種新的方法，解決了非接觸電能傳輸過程中控制信號和反饋信號實時交互的問題，有很好的實用價值和應用前景。

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作者信息：

韓  齊，劉松陽，張立娟，趙全明

（河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401）