【学术论文】感应耦合系统中信号全双工传输研究
摘要：
0 引言
感应耦合电能传输(ICPT)作为一种新型的无线电能传输技术，克服了传统的通过导线传输电能所带来的安全隐患和功能上的局限[1]。然而在很多实际应用中，不仅要满足电能的传输要求，同时还要实现信号的实时传输。例如，在石油钻井、内置式医疗电子装置等特殊应用环境中，在完成能量传递的同时，不仅需要由原边不断向副边发送控制指令，还需要将副边监测到的信息实时地反馈到原边。
在以往的众多关于ICPT系统信号传输研究中，经常采用额外增设一对信号耦合线圈，使信号和能量分开传输，不仅增加了系统设计的复杂度，还存在能量线圈与信号线圈之间相互干扰的问题。或者只研究了信号从系统原边向副边传输或副边向原边传输的单向传输方式[2-8]。现有的信号由原边向副边传输的方法多采用在系统主电路增设开关器件，当开关断开时，只能依靠电路中电感电容储存能量给后级供电。传输速度较慢，且只能工作在小功率的情况下。
本文针对ICPT系统中的信号全双工传输问题，提出一种通过选通开关选择不同幅值输入电压进行信号正向传输，调节副边补偿电容进行信号反向传输的方法，不仅大大提高了传输的速率，而且实现了信号的全双工传输。
1 系统结构及传输原理
1.1 信号调制原理
图1所示为ICPT系统原理图。系统可分为初级回路和次级回路。初级回路通过变换器把直流电压逆变为高频交流电压，在原边产生交变磁场耦合到副边，副边感应出电动势，经过补偿以及整流滤波后给负载提供电能。
典型的全桥逆变SP（电容在电路中初级串联，次级并联）型补偿电路及其等效电路如图2、图3所示。
SP结构次级阻抗ZS可写为：
在原副边电路参数一定的情况下，由式(5)可知，仅改变输入电压Vin会改变次级电流IS的大小。由式(1)、式(3)、式(6)可知，改变C2容值，将改变副边线圈对原边的反射阻抗Zr，进而改变原边电流幅值IP的大小。
因此，可以选择合适的输入电压Vin和调节电容C9，根据不同数字信号“0”或“1”来调节选通开关和副边补偿电容，设定次级向初级传输速度是初级向次级传输速度的两倍。由式(4)、式(5)可知，在初次级电路参数不发生改变的情况下，改变输入电压Vin，初次级电流IP、IS均会改变。当C2容值改变时，原边电流幅值IP变化比较大，副边电流幅值IS变化非常小。因此，在原副边电流由于除自身变化引起的幅值变化外，还有另外一侧变化对其产生影响，因此在原副边都会产生四种幅值不同的电流。通过检测原副边电流幅值的包络特征来进行信号的解调，从而实现信号全双工传输。
1.2 原副边调制电路
根据以上推导，分别在ICPT系统的原副边增加信号调制机构。如图4所示，原边调制部分主要由boost升压电路和选通开关S1、S2组成。传送数字信号“0”时，选通开关S2导通，直接获取电源电压。传送数字信号“1”时，选通开关S1导通，获取经boost升压之后的电压。通过选取不同的电源电压幅值，从而获得幅值不同的次级电流幅值。如图5所示，副边调制部分主要由共E极反串联式开关S3和调制电容C9组成。传送数字信号“0”时，开关管S3关闭，次级补偿电容为C2，系统处于正常的谐振状态。传送数字信号“1”时，开关管S3导通，次级补偿电容变为C2+C9，反射到原边的阻抗将改变，从而改变原边的电流幅值。对原副边电流的幅值包络进行解调，就得到传输的数字信号。
2 松耦合变压器
松耦合变压器是感应耦合式电能传输系统的核心组成部分。由于松耦合变压器初次级线圈之间存在较大气隙，漏磁明显，导致能量传输能力和效率较低。为了减少漏磁，改善系统传输性能，提高传输效率，本文采用了一种桶形变压器。在Maxwell中建立桶形变压器2D、3D模型如图6、图7所示。
磁芯采用PC40，内磁桶为变压器原边，采用20匝线圈紧贴内磁桶外壁缠绕；外磁桶为变压器副边，采用21匝线圈紧贴外磁桶内壁缠绕。磁芯尺寸如表1所示。
3 Simulink，Simplorer，Maxwell联合仿真
采用Simulink产生两路互补的PWM波控制全桥逆变器的相互导通，仿真中直接选用两路不同幅值电源电压，随机产生数字信号“0”“1”控制原边选通开关S1、S2和共E极反串联式开关S3，将Maxwell中变压器模型导入到Simplorer中，对全桥逆变SP型补偿电路进行整体仿真分析。仿真电路如图8所示。仿真电路具体参数如表2。
根据S1、S2的选通频率可得初级向次级每400 μs传递一位数字信号，图9所示为初级全桥逆变器之后的电压电流波形。从电压包络可以看出，初级所要传输的信号为“1011111”。图10所示为次级电流，根据其包络特征，可得次级线圈拾取到从原边向副边传递的数字信号为“1011111”。
根据S3的选通频率可得初级向次级每200 μs传递一位数字信号，图11所示为调节电容C9的电压波形，从电压包络可以看出次级所要传输的信号为“10111111011101”。图12所示为初级电流，根据其包络特征，可得副边向原边传递的数字信号为“10111111011101”。
以上仿真结果表明，通过电流幅值可以准确地解调信号，该方法可以实现感应耦合电能传输系统中的信号全双工传输。
4 结论
本文通过对感应耦合式电能传输系统输入电压幅值和副边补偿变化对系统电流幅值产生的影响进行分析。针对 ICPT 系统中的信号全双工传输问题，提出一种通过选通开关选择不同幅值输入电压进行信号正向传输，调节副边补偿电容进行信号反向传输的方法。进行了系统仿真，验证了方法的可行性。该方法为ICPT系统中信号全双工传输提供了一种新的方法，解决了非接触电能传输过程中控制信号和反馈信号实时交互的问题，有很好的实用价值和应用前景。
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作者信息：
韩 齐，刘松阳，张立娟，赵全明
（河北工业大学 电子信息工程学院，天津300401）