0 引言

    感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)作為一種新型的無線電能傳輸技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的通過導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用中，不僅要滿足電能的傳輸要求，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。例如，在石油鉆井、內(nèi)置式醫(yī)療電子裝置等特殊應(yīng)用環(huán)境中，在完成能量傳遞的同時(shí)，不僅需要由原邊不斷向副邊發(fā)送控制指令，還需要將副邊監(jiān)測(cè)到的信息實(shí)時(shí)地反饋到原邊。

    在以往的眾多關(guān)于ICPT系統(tǒng)信號(hào)傳輸研究中，經(jīng)常采用額外增設(shè)一對(duì)信號(hào)耦合線圈，使信號(hào)和能量分開傳輸，不僅增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還存在能量線圈與信號(hào)線圈之間相互干擾的問題?；蛘咧谎芯苛诵盘?hào)從系統(tǒng)原邊向副邊傳輸或副邊向原邊傳輸?shù)膯蜗騻鬏敺绞?sup>[2-8]。現(xiàn)有的信號(hào)由原邊向副邊傳輸?shù)姆椒ǘ嗖捎迷谙到y(tǒng)主電路增設(shè)開關(guān)器件，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，只能依靠電路中電感電容儲(chǔ)存能量給后級(jí)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(duì)ICPT系統(tǒng)中的信號(hào)全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關(guān)選擇不同幅值輸入電壓進(jìn)行信號(hào)正向傳輸，調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行信號(hào)反向傳輸?shù)姆椒?，不僅大大提高了傳輸?shù)乃俾?，而且?shí)現(xiàn)了信號(hào)的全雙工傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳輸原理

1.1 信號(hào)調(diào)制原理

    圖1所示為ICPT系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)可分為初級(jí)回路和次級(jí)回路。初級(jí)回路通過變換器把直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓，在原邊產(chǎn)生交變磁場(chǎng)耦合到副邊，副邊感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過補(bǔ)償以及整流濾波后給負(fù)載提供電能。

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

    SP結(jié)構(gòu)次級(jí)阻抗Z_S可寫為：

    在原副邊電路參數(shù)一定的情況下，由式(5)可知，僅改變輸入電壓V_in會(huì)改變次級(jí)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(duì)原邊的反射阻抗Z_r，進(jìn)而改變?cè)呺娏鞣礗_P的大小。

    因此，可以選擇合適的輸入電壓V_in和調(diào)節(jié)電容C₉，根據(jù)不同數(shù)字信號(hào)“0”或“1”來調(diào)節(jié)選通開關(guān)和副邊補(bǔ)償電容，設(shè)定次級(jí)向初級(jí)傳輸速度是初級(jí)向次級(jí)傳輸速度的兩倍。由式(4)、式(5)可知，在初次級(jí)電路參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，改變輸入電壓V_in，初次級(jí)電流I_P、I_S均會(huì)改變。當(dāng)C₂容值改變時(shí)，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(cè)變化對(duì)其產(chǎn)生影響，因此在原副邊都會(huì)產(chǎn)生四種幅值不同的電流。通過檢測(cè)原副邊電流幅值的包絡(luò)特征來進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)全雙工傳輸。

1.2 原副邊調(diào)制電路

    根據(jù)以上推導(dǎo)，分別在ICPT系統(tǒng)的原副邊增加信號(hào)調(diào)制機(jī)構(gòu)。如圖4所示，原邊調(diào)制部分主要由boost升壓電路和選通開關(guān)S1、S2組成。傳送數(shù)字信號(hào)“0”時(shí)，選通開關(guān)S2導(dǎo)通，直接獲取電源電壓。傳送數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，選通開關(guān)S1導(dǎo)通，獲取經(jīng)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(jí)電流幅值。如圖5所示，副邊調(diào)制部分主要由共E極反串聯(lián)式開關(guān)S3和調(diào)制電容C9組成。傳送數(shù)字信號(hào)“0”時(shí)，開關(guān)管S3關(guān)閉，次級(jí)補(bǔ)償電容為C₂，系統(tǒng)處于正常的諧振狀態(tài)。傳送數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，開關(guān)管S3導(dǎo)通，次級(jí)補(bǔ)償電容變?yōu)镃₂+C₉，反射到原邊的阻抗將改變，從而改變?cè)叺碾娏鞣怠?duì)原副邊電流的幅值包絡(luò)進(jìn)行解調(diào)，就得到傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。

2 松耦合變壓器

    松耦合變壓器是感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)的核心組成部分。由于松耦合變壓器初次級(jí)線圈之間存在較大氣隙，漏磁明顯，導(dǎo)致能量傳輸能力和效率較低。為了減少漏磁，改善系統(tǒng)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(nèi)磁桶為變壓器原邊，采用20匝線圈緊貼內(nèi)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(nèi)壁纏繞。磁芯尺寸如表1所示。

3 Simulink，Simplorer，Maxwell聯(lián)合仿真

    采用Simulink產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波控制全橋逆變器的相互導(dǎo)通，仿真中直接選用兩路不同幅值電源電壓，隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)“0”“1”控制原邊選通開關(guān)S1、S2和共E極反串聯(lián)式開關(guān)S3，將Maxwell中變壓器模型導(dǎo)入到Simplorer中，對(duì)全橋逆變SP型補(bǔ)償電路進(jìn)行整體仿真分析。仿真電路如圖8所示。仿真電路具體參數(shù)如表2。

    根據(jù)S1、S2的選通頻率可得初級(jí)向次級(jí)每400 μs傳遞一位數(shù)字信號(hào)，圖9所示為初級(jí)全橋逆變器之后的電壓電流波形。從電壓包絡(luò)可以看出，初級(jí)所要傳輸?shù)男盘?hào)為“1011111”。圖10所示為次級(jí)電流，根據(jù)其包絡(luò)特征，可得次級(jí)線圈拾取到從原邊向副邊傳遞的數(shù)字信號(hào)為“1011111”。

    根據(jù)S3的選通頻率可得初級(jí)向次級(jí)每200 μs傳遞一位數(shù)字信號(hào)，圖11所示為調(diào)節(jié)電容C₉的電壓波形，從電壓包絡(luò)可以看出次級(jí)所要傳輸?shù)男盘?hào)為“10111111011101”。圖12所示為初級(jí)電流，根據(jù)其包絡(luò)特征，可得副邊向原邊傳遞的數(shù)字信號(hào)為“10111111011101”。

    以上仿真結(jié)果表明，通過電流幅值可以準(zhǔn)確地解調(diào)信號(hào)，該方法可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中的信號(hào)全雙工傳輸。

4 結(jié)論

    本文通過對(duì)感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)輸入電壓幅值和副邊補(bǔ)償變化對(duì)系統(tǒng)電流幅值產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。針對(duì) ICPT 系統(tǒng)中的信號(hào)全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關(guān)選擇不同幅值輸入電壓進(jìn)行信號(hào)正向傳輸，調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行信號(hào)反向傳輸?shù)姆椒?。進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了方法的可行性。該方法為ICPT系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)和反饋信號(hào)實(shí)時(shí)交互的問題，有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 范興明，莫小勇，張?chǎng)危疅o線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(10)：2584-2600．

[2] 周錦鋒，孫躍，蘇玉剛.感應(yīng)耦合電能與信號(hào)同步傳輸技術(shù)研究[J]．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(4)：12-17.

[3] 劉洋，王智慧，孫躍.ICPT系統(tǒng)中信號(hào)反向傳輸技術(shù)機(jī)理研究[J].電工電能新技術(shù)，2014(4)：6-10.

[4] KURSCHNER D，RATHGE C.Design methodology for high efficient inductive power transfer systems with high coil positioning flexibility[J].Industrial Electronics，2013，60(1)：372-381.

[5] 周雯琪，馬皓，何湘寧.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)不同補(bǔ)償拓?fù)涞难芯縖J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24(1)：133-139.

[6] 程志遠(yuǎn)，朱春波，魏國，等.串-并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)大功率感應(yīng)充電系統(tǒng)諧振變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(9)：44-48.

[7] AUVIGNE C，GERMANO P.A dual-topology ICPT applied to an electric vehicle battery charger[C].2012 XXth International Conference on Electrical Machines(ICEM)，2012：2287-2292.

[8] Wang Xiaoding，Han Jun，Wang Guanyu，et al.Experimental study on the CPT system for the underwater helicopter[C].OCEANS2016，2016.

[9] YU C L，LU R G，SU C H，et al.Study on wireless energy and data transmission for long-range projectile[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41(5)：1370-1375．

[10] 蘇玉剛，吳學(xué)穎，劉波.寬溫度范圍下感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017(6)： 175-182.

[11] 陳新，張桂香.電磁感應(yīng)無線充電的聯(lián)合仿真研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014(4)：434-440.

作者信息：

韓  齊，劉松陽，張立娟，趙全明

（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401）