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(tǒng)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(xiàn)信號的實時傳輸,。例如,，在石油鉆井、內置式醫(yī)療電子裝置等特殊應用環(huán)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(fā)送控制指令,，還需要將副邊監(jiān)測到的信息實時地反饋到原邊,。

    在以往的眾多關于ICPT系統(tǒng)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(tǒng)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,?；蛘咧谎芯苛诵盘枏南到y(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]?，F(xiàn)有的信號由原邊向副邊傳輸?shù)姆椒ǘ嗖捎迷谙到y(tǒng)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(tǒng)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(jié)副邊補償電容進行信號反向傳輸?shù)姆椒?，不僅大大提高了傳輸?shù)乃俾?，而且實現(xiàn)了信號的全雙工傳輸。

1 系統(tǒng)結構及傳輸原理

1.1 信號調制原理

    圖1所示為ICPT系統(tǒng)原理圖,。系統(tǒng)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?yōu)楦哳l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(lián)，次級并聯(lián)）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(shù)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(jié)電容C₉,，根據(jù)不同數(shù)字信號“0”或“1”來調節(jié)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(shù)不發(fā)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(xiàn)信號全雙工傳輸。

1.2 原副邊調制電路

    根據(jù)以上推導,，分別在ICPT系統(tǒng)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(shù)字信號“0”時，選通開關S2導通,，直接獲取電源電壓,。傳送數(shù)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(lián)式開關S3和調制電容C9組成,。傳送數(shù)字信號“0”時，開關管S3關閉,，次級補償電容為C₂,，系統(tǒng)處于正常的諧振狀態(tài)。傳送數(shù)字信號“1”時,，開關管S3導通,，次級補償電容變?yōu)镃₂+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?shù)臄?shù)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(tǒng)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(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(lián)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(shù)字信號“0”“1”控制原邊選通開關S1,、S2和共E極反串聯(lián)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(shù)如表2,。

    根據(jù)S1,、S2的選通頻率可得初級向次級每400 μs傳遞一位數(shù)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?shù)男盘枮椤?011111”。圖10所示為次級電流,，根據(jù)其包絡特征,，可得次級線圈拾取到從原邊向副邊傳遞的數(shù)字信號為“1011111”。

    根據(jù)S3的選通頻率可得初級向次級每200 μs傳遞一位數(shù)字信號,，圖11所示為調節(jié)電容C₉的電壓波形,，從電壓包絡可以看出次級所要傳輸?shù)男盘枮椤?0111111011101”。圖12所示為初級電流,，根據(jù)其包絡特征,，可得副邊向原邊傳遞的數(shù)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(xiàn)感應耦合電能傳輸系統(tǒng)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(tǒng)輸入電壓幅值和副邊補償變化對系統(tǒng)電流幅值產生的影響進行分析,。針對 ICPT 系統(tǒng)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(jié)副邊補償電容進行信號反向傳輸?shù)姆椒?。進行了系統(tǒng)仿真,，驗證了方法的可行性。該方法為ICPT系統(tǒng)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(yè)大學 電子信息工程學院,，天津300401）