一種副邊調(diào)頻式反向信息無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

武 潔，何帥彪，竇智峰，金 楠，馬殿光

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鄭州450002；2.上海交通大學(xué)教育部輸變電控制重點實驗室，上海200240）

近年來，無線充電技術(shù)在電動汽車和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域快速發(fā)展[1-2]。 與傳統(tǒng)有線電能傳輸相比，無線電能傳輸在許多方面具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)的有線電能傳輸依賴于電纜線和觸點，不僅受電纜線和使用環(huán)境的束縛，而且存在觸點接觸和機(jī)械摩擦，衍生出火花、絕緣、導(dǎo)體消損等問題，存在安全隱患。 而無線電能傳輸屬于非接觸式電能傳輸技術(shù)，具有傳輸可靠、穩(wěn)定安全、應(yīng)用便利的特點[3]。 其能夠通過磁場間相互作用實現(xiàn)能量傳輸，可應(yīng)用于空氣、水下、太空等特殊環(huán)境，有效克服了有線電能傳輸?shù)木窒扌訹4-5]。

實際應(yīng)用中，在電能傳輸?shù)耐瑫r也常常伴隨著信息傳遞，由于無線電能傳輸系統(tǒng)原邊和副邊回路是分離的，可以通過信息傳遞使原副邊系統(tǒng)聯(lián)系起來。對于人體植入式醫(yī)療設(shè)備[6-7]，例如心臟起搏器，無線充電可以很好地解決起搏器的供電問題，減少病人的痛苦。 充電過程中，植入設(shè)備的信息反饋可以實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和患者的生理指標(biāo)，不僅實現(xiàn)了患者健康狀態(tài)的實時監(jiān)測， 還可以節(jié)約能源、延長設(shè)備的使用壽命。在電動汽車無線充電領(lǐng)域[8]，電池充電過程中，系統(tǒng)需要根據(jù)電池狀態(tài)對原邊進(jìn)行實時控制。因此，對于無線傳能設(shè)備來說，實現(xiàn)原邊和副邊之間的通信，特別是從副邊向原邊傳輸信息至關(guān)重要。

目前，電能無線傳輸系統(tǒng)中的信息反向傳輸已有實現(xiàn)方案，但仍面臨許多挑戰(zhàn)。 文獻(xiàn)[9]采用增設(shè)一對信號線圈， 使能量和信息傳輸通道相互分開，但需要考慮多線圈耦合問題，會使線圈設(shè)計變得復(fù)雜；文獻(xiàn)[10-11]增加了高頻發(fā)生器和耦合變壓器等部件，將高頻信息注入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息和能量在不同頻帶上同時傳輸，但會增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；文獻(xiàn)[12-13]通過對補償電容值進(jìn)行信號調(diào)制，然后檢測原邊電流幅值包絡(luò)特征實現(xiàn)信息還原。但是改變線圈的補償電容值會使線圈漏感增大，降低能量的傳輸效率；文獻(xiàn)[14]在副邊不控整流回路后級增加一個全控開關(guān)管，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比實現(xiàn)調(diào)壓功能。 負(fù)載變化較大時，僅通過調(diào)節(jié)開關(guān)管脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）占空比難以維持輸出電壓穩(wěn)定，為了達(dá)到恒壓調(diào)節(jié)效果，需要進(jìn)行信息通信，使得原副邊系統(tǒng)相互配合。

本文基于副邊調(diào)頻式無線充電系統(tǒng)提出一種信息反向傳輸方案，對于不具備信息反向傳輸功能的副邊不控整流無線電能傳輸系統(tǒng)，只需在不控整流器后級增加一個全控器件，即可利用改變副邊全控開關(guān)器件的開關(guān)頻率來實現(xiàn)信息傳遞，從而使系統(tǒng)具備信息反向傳輸?shù)哪芰?。該系統(tǒng)不僅電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)復(fù)雜度低，還可以實現(xiàn)信息的實時反饋，為減小無線傳輸設(shè)備體積提供思路。 建立系統(tǒng)模型，分析調(diào)節(jié)副邊開關(guān)管工作頻率對原、副邊電路的影響， 提出信息拾取環(huán)節(jié)的分析和設(shè)計方法，并設(shè)計信息調(diào)制和解調(diào)電路。 搭建實驗平臺，詳細(xì)分析和驗證方案的可行性。

1 系統(tǒng)拓?fù)浼霸?/h2>

無線電能傳輸系統(tǒng)分為原邊初級回路和副邊次級回路兩部分。 初級回路采用直流電源供電，通過逆變橋?qū)⑵淠孀兂筛哳l交流電并使原邊線圈產(chǎn)生高頻磁場。次級線圈利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出電動勢，經(jīng)不控橋整流、調(diào)壓，濾波后給負(fù)載提供恒定的電壓。本文提出的無線電能與信息同時傳輸原理如圖1 所示。

圖1 無線電能與信息同時傳輸系統(tǒng)原理框圖Fig. 1 Block diagram of principle for simultaneous wireless information and power transfer system

系統(tǒng)采用典型的串聯(lián)補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2 所示。 Ui是直流側(cè)輸入電壓源，4 個碳化硅開關(guān)管S1—S4構(gòu)成可控逆變?nèi)珮颍?個二極管D1—D4構(gòu)成次級電能接收整流電路。 整流橋后并聯(lián)一個開關(guān)管S5構(gòu)成調(diào)壓電路， 二極管D5防止負(fù)載側(cè)電壓倒流。 當(dāng)S5關(guān)斷時，電流流經(jīng)負(fù)載，同時給穩(wěn)壓電容Co充電；當(dāng)S5導(dǎo)通時，電流經(jīng)S5使接收電路短路，此時穩(wěn)壓電容Co向負(fù)載RL供電維持負(fù)載電壓恒定。Lp、Ls、Cp、Cs、Rp、Rs分別是原、副邊諧振回路的線圈自感、補償電容和寄生電阻。

Re為等效負(fù)載， 通過改變開關(guān)管S5的開關(guān)狀態(tài)可調(diào)節(jié)Re的大小。當(dāng)開關(guān)管S5處于導(dǎo)通狀態(tài)時，等效負(fù)載為0； 當(dāng)開關(guān)管S5關(guān)斷時，Re與不控整流的等效負(fù)載相等，為定值。 根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，等效負(fù)載Re通過DC-DC 轉(zhuǎn)換器的占空比來調(diào)節(jié)，Re可表示為

式中，D 為開關(guān)管S5的占空比。

副邊串聯(lián)結(jié)構(gòu)等效阻抗Zs可表示為

圖2 無線電能傳輸系統(tǒng)Fig. 2 Wireless power transfer system

副邊阻抗等效到原邊的反射阻抗Zr為

原邊回路阻抗Zp為

由基爾霍夫電壓定律，可列回路方程

從而求得原邊回路電流為

將Zr代入式（6）中，可以得到

由式（1）—式（3）可知，當(dāng)副邊開關(guān)管S5的占空比D 改變時， 副邊阻抗Zs及反射阻抗Zr會隨之改變。 由式（7）可知，原邊輸入電壓up一定時，原邊電流ip的幅值與反射阻抗Zr呈反比。 原邊電流ip由輸入電流Ii經(jīng)逆變后產(chǎn)生，在S5一個導(dǎo)通與關(guān)斷控制周期中，電流ip的幅值會經(jīng)過上升和下降的波動，反映直流側(cè)輸入電流Ii的變化。 根據(jù)以上分析，S5的開關(guān)周期影響輸入電流Ii的波動周期。 通過對電流Ii采樣、放大、濾波、比較等處理得到與副邊開關(guān)管S5開關(guān)基本一致的方波， 從而在原邊解調(diào)出反向傳輸?shù)男畔ⅰ?信息調(diào)制通過改變開關(guān)管S5的工作頻率實現(xiàn)。將解調(diào)出的方波信號輸入至DSP 進(jìn)行鑒頻，以不同頻率表示數(shù)據(jù)“0”和“1”來實現(xiàn)信息解調(diào)，從而實現(xiàn)信息的反向傳輸。

2 反向信息傳輸系統(tǒng)分析及設(shè)計

2.1 信息調(diào)制方案

基于上述分析可知， 通過改變開關(guān)管S5的工作頻率可傳輸信息。 開關(guān)管S5不同的工作頻率代表二進(jìn)制“0”、“1”信號，通過檢測原邊輸入電流變化實現(xiàn)信息傳輸，其信息調(diào)制方案如圖3 所示。

圖3 信息調(diào)制方法Fig. 3 Information modulation method

2.2 信息解調(diào)電路設(shè)計

由圖3 可知， 改變開關(guān)管S5的開關(guān)頻率會影響原邊電流的波形。通過采樣電阻檢測直流側(cè)電流變化，獲取電流變化的包絡(luò)波形，將其轉(zhuǎn)化成電壓信號。 經(jīng)比例放大電路，將電壓放大到合適的范圍內(nèi)，再通過兩級低通濾波電路分別得到包絡(luò)電壓和其直流分量， 經(jīng)由比較器得到與S5頻率相近的方波信號，從而完成信息解調(diào)。 其信息解調(diào)原理框圖如圖4 所示。

圖4 原邊接收信息解調(diào)原理Fig. 4 Principle of information demodulation on primary side

2.2.1 信息的提取與處理電路設(shè)計

選用電阻為0.2 Ω 的低溫漂SMR 系列作為采樣電阻， 將原邊檢測的采樣電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過比例放大輸入到后級電路。圖5 為信號比例放大電路。

采樣電阻電壓UR1為輸入電流Ii與電阻R1的積，即

由運放的虛短、虛斷得放大電路增益Ku為

比例放大后的電壓Ur等于采樣電阻電壓乘以比例放大系數(shù)，即

由式（10）可知，在電阻匹配一定時，經(jīng)放大后的信號電壓Ur幅值跟隨輸入電流Ii變化， 即Ur的變化周期和輸入電流一致。 選擇匹配電阻，可以將輸出信號放大到合理范圍內(nèi)，以便后級信號處理。

圖5 信號采集及放大電路Fig. 5 Signal acquisition and amplification circuit

2.2.2 信號濾波比較電路設(shè)計

在信息解調(diào)過程中， 原邊電流的變化周期會根據(jù)開關(guān)管S5開關(guān)周期不同而發(fā)生變化。 原邊采樣電流經(jīng)過放大電路后輸入到濾波比較電路， 最后通過比較器轉(zhuǎn)化為等頻的方波。 圖6 為信號的濾波比較電路。

圖6 信號的濾波比較電路Fig. 6 Signal filtering comparison circuit

將比例放大后的Ur經(jīng)過兩級低通濾波， 得到直流分量作為判決電壓， 其中第一級濾波將高于20 kHz 的諧波分量濾除， 得到電流變化的包絡(luò)波形。最后將兩級濾波后的電壓波形通過比較器得到與開關(guān)管S5頻率基本一致的方波， 將方波輸入到DSP 中進(jìn)行鑒頻，從而實現(xiàn)信號的提取與復(fù)原。

為了保護(hù)DSP 控制器和提高電路的安全可靠性， 需要將功率電路與控制器的接地端進(jìn)行隔離。實驗中采用隔離電源模塊產(chǎn)生一路隔離的5 V 電源，減少功率回路對控制回路的干擾，分別給比例放大器、比較器以及隔離芯片供電，實現(xiàn)功率電路和控制回路的隔離。

3 實驗結(jié)果及分析

為驗證該反向傳輸方案的可行性和有效性，搭建實驗平臺，如圖7 所示，其主要參數(shù)如表1 所示。原副邊主控制器選用TI 公司的TMS320F28335 數(shù)字處理器； 原邊有源逆變?nèi)珮蛴? 個半橋模塊組成，其中使用了4 個C2M0080120D 碳化硅MOSFET和與之并聯(lián)的C4D20120D 續(xù)流二極管；副邊由4 個MBR60200PT 功率二極管構(gòu)成不控整流橋， 直流電壓源采用APL-II 電源，線圈圓筒直徑為40 cm，圓筒中心距離為20 cm，使用示波器Tektronix TPS2024B采集波形。

圖7 無線電能與信息傳輸實驗平臺Fig. 7 Experimental platform of wireless power and information transfer

根據(jù)上述分析， 副邊開關(guān)管S5開通和關(guān)斷過程會引起副邊不控整流輸入電壓的變化，如圖8（a）所示。開關(guān)管S5工作在10 kHz，其中S5的一個開關(guān)周期包括多個原邊逆變周期，S5開通時副邊接收電路處于短路狀態(tài)，此時副邊電壓us為0，穩(wěn)壓電容Co放電維持負(fù)載電壓穩(wěn)定；S5關(guān)斷后系統(tǒng)正常進(jìn)行電能傳輸并給穩(wěn)壓電容和負(fù)載供電。 如圖8（b）所示，副邊開關(guān)S5狀態(tài)發(fā)生變化時，由于原邊電壓恒定，會使原邊電流ip發(fā)生變化，其變化周期即為S5的工作周期。

表1 無線電能與信息傳輸系統(tǒng)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of wireless power and information transfer system

原邊直流側(cè)電流Ii間接反映電流ip的變化，通過采樣直流側(cè)電流變化解調(diào)獲得電流ip的變化周期。 單一頻率的電流采樣波形解調(diào)實驗結(jié)果如圖9所示，采樣輸入電流Ii經(jīng)放大電路后，再通過兩級低通濾波，分別得到低頻信息波動信號和其直流分量電壓，最后信息波動信號與直流分量比較后輸出方波信號。

實驗通過副邊向原邊反饋信息，驗證所提出方法的可行性。 選取10 kHz 和5 kHz 作為S5的2 個開關(guān)頻率表示二進(jìn)制“1”、“0”信號。 圖10 是S5開關(guān)頻率為10 kHz 和5 kHz 的調(diào)制、解調(diào)波形。

圖9 電流采樣解調(diào)波形Fig. 9 Waveforms of current sampling and demodulation

圖10 S5 不同開關(guān)頻率下的調(diào)制、解調(diào)波形Fig. 10 Information modulation and demodulation waveforms at different switching frequencies of S5

圖11 為S5的不同開關(guān)頻率實現(xiàn)不同的信息傳輸。 例如傳遞負(fù)載的電壓信息，將電壓傳感器采集的100 V 負(fù)載電壓通過DSP 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)“01100100”，再由其配置S5的開關(guān)頻率。 之后將解調(diào)出信息波形，輸入到DSP 中進(jìn)行鑒頻，實現(xiàn)調(diào)制信息的還原。

圖11 編碼信息傳輸Fig. 11 Transfer of coded information

4 結(jié)語

本文提出一種副邊調(diào)頻式反向信息傳輸系統(tǒng)，原邊采用全橋結(jié)構(gòu)，副邊由不控整流橋和一個全控開關(guān)管構(gòu)成，給出信息調(diào)制電路、信息拾取電路、濾波比較電路的設(shè)計方法。通過改變副邊全控開關(guān)管頻率實現(xiàn)信息的反向傳遞，搭建實驗平臺驗證所提方案的可行性。 實驗表明，在不增加其他調(diào)制電路的情況下， 通過改變開關(guān)管頻率實現(xiàn)信息調(diào)制，通過檢測原邊直流側(cè)電流變化實現(xiàn)信息解調(diào)。該電路結(jié)構(gòu)簡單，對于不具備信息傳遞功能的無線傳能系統(tǒng)來說，只需增加一個開關(guān)器件即可使系統(tǒng)具備信息傳遞功能。