一种副边调频式反向信息无线电能传输系统设计

武 洁，何帅彪，窦智峰，金 楠，马殿光

（1.郑州轻工业大学电气信息工程学院，郑州450002；2.上海交通大学教育部输变电控制重点实验室，上海200240）

近年来，无线充电技术在电动汽车和电子产品等领域快速发展[1-2]。 与传统有线电能传输相比，无线电能传输在许多方面具有优势。传统的有线电能传输依赖于电缆线和触点，不仅受电缆线和使用环境的束缚，而且存在触点接触和机械摩擦，衍生出火花、绝缘、导体消损等问题，存在安全隐患。 而无线电能传输属于非接触式电能传输技术，具有传输可靠、稳定安全、应用便利的特点[3]。 其能够通过磁场间相互作用实现能量传输，可应用于空气、水下、太空等特殊环境，有效克服了有线电能传输的局限性[4-5]。

实际应用中，在电能传输的同时也常常伴随着信息传递，由于无线电能传输系统原边和副边回路是分离的，可以通过信息传递使原副边系统联系起来。对于人体植入式医疗设备[6-7]，例如心脏起搏器，无线充电可以很好地解决起搏器的供电问题，减少病人的痛苦。 充电过程中，植入设备的信息反馈可以实时监控设备状态和患者的生理指标，不仅实现了患者健康状态的实时监测， 还可以节约能源、延长设备的使用寿命。在电动汽车无线充电领域[8]，电池充电过程中，系统需要根据电池状态对原边进行实时控制。因此，对于无线传能设备来说，实现原边和副边之间的通信，特别是从副边向原边传输信息至关重要。

目前，电能无线传输系统中的信息反向传输已有实现方案，但仍面临许多挑战。 文献[9]采用增设一对信号线圈， 使能量和信息传输通道相互分开，但需要考虑多线圈耦合问题，会使线圈设计变得复杂；文献[10-11]增加了高频发生器和耦合变压器等部件，将高频信息注入到系统中，实现信息和能量在不同频带上同时传输，但会增加系统结构的复杂性；文献[12-13]通过对补偿电容值进行信号调制，然后检测原边电流幅值包络特征实现信息还原。但是改变线圈的补偿电容值会使线圈漏感增大，降低能量的传输效率；文献[14]在副边不控整流回路后级增加一个全控开关管，通过调节开关管的占空比实现调压功能。 负载变化较大时，仅通过调节开关管脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）占空比难以维持输出电压稳定，为了达到恒压调节效果，需要进行信息通信，使得原副边系统相互配合。

本文基于副边调频式无线充电系统提出一种信息反向传输方案，对于不具备信息反向传输功能的副边不控整流无线电能传输系统，只需在不控整流器后级增加一个全控器件，即可利用改变副边全控开关器件的开关频率来实现信息传递，从而使系统具备信息反向传输的能力。该系统不仅电路结构简单，系统复杂度低，还可以实现信息的实时反馈，为减小无线传输设备体积提供思路。 建立系统模型，分析调节副边开关管工作频率对原、副边电路的影响， 提出信息拾取环节的分析和设计方法，并设计信息调制和解调电路。 搭建实验平台，详细分析和验证方案的可行性。

1 系统拓扑及原理

无线电能传输系统分为原边初级回路和副边次级回路两部分。 初级回路采用直流电源供电，通过逆变桥将其逆变成高频交流电并使原边线圈产生高频磁场。次级线圈利用电磁感应原理感应出电动势，经不控桥整流、调压，滤波后给负载提供恒定的电压。本文提出的无线电能与信息同时传输原理如图1 所示。

图1 无线电能与信息同时传输系统原理框图Fig. 1 Block diagram of principle for simultaneous wireless information and power transfer system

系统采用典型的串联补偿网络结构，其电路结构和等效电路如图2 所示。 Ui是直流侧输入电压源，4 个碳化硅开关管S1—S4构成可控逆变全桥，4个二极管D1—D4构成次级电能接收整流电路。 整流桥后并联一个开关管S5构成调压电路， 二极管D5防止负载侧电压倒流。 当S5关断时，电流流经负载，同时给稳压电容Co充电；当S5导通时，电流经S5使接收电路短路，此时稳压电容Co向负载RL供电维持负载电压恒定。Lp、Ls、Cp、Cs、Rp、Rs分别是原、副边谐振回路的线圈自感、补偿电容和寄生电阻。

Re为等效负载， 通过改变开关管S5的开关状态可调节Re的大小。当开关管S5处于导通状态时，等效负载为0； 当开关管S5关断时，Re与不控整流的等效负载相等，为定值。 根据文献[15]可知，等效负载Re通过DC-DC 转换器的占空比来调节，Re可表示为

式中，D 为开关管S5的占空比。

副边串联结构等效阻抗Zs可表示为

图2 无线电能传输系统Fig. 2 Wireless power transfer system

副边阻抗等效到原边的反射阻抗Zr为

原边回路阻抗Zp为

由基尔霍夫电压定律，可列回路方程

从而求得原边回路电流为

将Zr代入式（6）中，可以得到

由式（1）—式（3）可知，当副边开关管S5的占空比D 改变时， 副边阻抗Zs及反射阻抗Zr会随之改变。 由式（7）可知，原边输入电压up一定时，原边电流ip的幅值与反射阻抗Zr呈反比。 原边电流ip由输入电流Ii经逆变后产生，在S5一个导通与关断控制周期中，电流ip的幅值会经过上升和下降的波动，反映直流侧输入电流Ii的变化。 根据以上分析，S5的开关周期影响输入电流Ii的波动周期。 通过对电流Ii采样、放大、滤波、比较等处理得到与副边开关管S5开关基本一致的方波， 从而在原边解调出反向传输的信息。 信息调制通过改变开关管S5的工作频率实现。将解调出的方波信号输入至DSP 进行鉴频，以不同频率表示数据“0”和“1”来实现信息解调，从而实现信息的反向传输。

2 反向信息传输系统分析及设计

2.1 信息调制方案

基于上述分析可知， 通过改变开关管S5的工作频率可传输信息。 开关管S5不同的工作频率代表二进制“0”、“1”信号，通过检测原边输入电流变化实现信息传输，其信息调制方案如图3 所示。

图3 信息调制方法Fig. 3 Information modulation method

2.2 信息解调电路设计

由图3 可知， 改变开关管S5的开关频率会影响原边电流的波形。通过采样电阻检测直流侧电流变化，获取电流变化的包络波形，将其转化成电压信号。 经比例放大电路，将电压放大到合适的范围内，再通过两级低通滤波电路分别得到包络电压和其直流分量， 经由比较器得到与S5频率相近的方波信号，从而完成信息解调。 其信息解调原理框图如图4 所示。

图4 原边接收信息解调原理Fig. 4 Principle of information demodulation on primary side

2.2.1 信息的提取与处理电路设计

选用电阻为0.2 Ω 的低温漂SMR 系列作为采样电阻， 将原边检测的采样电流转换成电压信号，再经过比例放大输入到后级电路。图5 为信号比例放大电路。

采样电阻电压UR1为输入电流Ii与电阻R1的积，即

由运放的虚短、虚断得放大电路增益Ku为

比例放大后的电压Ur等于采样电阻电压乘以比例放大系数，即

由式（10）可知，在电阻匹配一定时，经放大后的信号电压Ur幅值跟随输入电流Ii变化， 即Ur的变化周期和输入电流一致。 选择匹配电阻，可以将输出信号放大到合理范围内，以便后级信号处理。

图5 信号采集及放大电路Fig. 5 Signal acquisition and amplification circuit

2.2.2 信号滤波比较电路设计

在信息解调过程中， 原边电流的变化周期会根据开关管S5开关周期不同而发生变化。 原边采样电流经过放大电路后输入到滤波比较电路， 最后通过比较器转化为等频的方波。 图6 为信号的滤波比较电路。

图6 信号的滤波比较电路Fig. 6 Signal filtering comparison circuit

将比例放大后的Ur经过两级低通滤波， 得到直流分量作为判决电压， 其中第一级滤波将高于20 kHz 的谐波分量滤除， 得到电流变化的包络波形。最后将两级滤波后的电压波形通过比较器得到与开关管S5频率基本一致的方波， 将方波输入到DSP 中进行鉴频，从而实现信号的提取与复原。

为了保护DSP 控制器和提高电路的安全可靠性， 需要将功率电路与控制器的接地端进行隔离。实验中采用隔离电源模块产生一路隔离的5 V 电源，减少功率回路对控制回路的干扰，分别给比例放大器、比较器以及隔离芯片供电，实现功率电路和控制回路的隔离。

3 实验结果及分析

为验证该反向传输方案的可行性和有效性，搭建实验平台，如图7 所示，其主要参数如表1 所示。原副边主控制器选用TI 公司的TMS320F28335 数字处理器； 原边有源逆变全桥由2 个半桥模块组成，其中使用了4 个C2M0080120D 碳化硅MOSFET和与之并联的C4D20120D 续流二极管；副边由4 个MBR60200PT 功率二极管构成不控整流桥， 直流电压源采用APL-II 电源，线圈圆筒直径为40 cm，圆筒中心距离为20 cm，使用示波器Tektronix TPS2024B采集波形。

图7 无线电能与信息传输实验平台Fig. 7 Experimental platform of wireless power and information transfer

根据上述分析， 副边开关管S5开通和关断过程会引起副边不控整流输入电压的变化，如图8（a）所示。开关管S5工作在10 kHz，其中S5的一个开关周期包括多个原边逆变周期，S5开通时副边接收电路处于短路状态，此时副边电压us为0，稳压电容Co放电维持负载电压稳定；S5关断后系统正常进行电能传输并给稳压电容和负载供电。 如图8（b）所示，副边开关S5状态发生变化时，由于原边电压恒定，会使原边电流ip发生变化，其变化周期即为S5的工作周期。

表1 无线电能与信息传输系统主要参数Tab. 1 Main parameters of wireless power and information transfer system

原边直流侧电流Ii间接反映电流ip的变化，通过采样直流侧电流变化解调获得电流ip的变化周期。 单一频率的电流采样波形解调实验结果如图9所示，采样输入电流Ii经放大电路后，再通过两级低通滤波，分别得到低频信息波动信号和其直流分量电压，最后信息波动信号与直流分量比较后输出方波信号。

实验通过副边向原边反馈信息，验证所提出方法的可行性。 选取10 kHz 和5 kHz 作为S5的2 个开关频率表示二进制“1”、“0”信号。 图10 是S5开关频率为10 kHz 和5 kHz 的调制、解调波形。

图9 电流采样解调波形Fig. 9 Waveforms of current sampling and demodulation

图10 S5 不同开关频率下的调制、解调波形Fig. 10 Information modulation and demodulation waveforms at different switching frequencies of S5

图11 为S5的不同开关频率实现不同的信息传输。 例如传递负载的电压信息，将电压传感器采集的100 V 负载电压通过DSP 转换成二进制数“01100100”，再由其配置S5的开关频率。 之后将解调出信息波形，输入到DSP 中进行鉴频，实现调制信息的还原。

图11 编码信息传输Fig. 11 Transfer of coded information

4 结语

本文提出一种副边调频式反向信息传输系统，原边采用全桥结构，副边由不控整流桥和一个全控开关管构成，给出信息调制电路、信息拾取电路、滤波比较电路的设计方法。通过改变副边全控开关管频率实现信息的反向传递，搭建实验平台验证所提方案的可行性。 实验表明，在不增加其他调制电路的情况下， 通过改变开关管频率实现信息调制，通过检测原边直流侧电流变化实现信息解调。该电路结构简单，对于不具备信息传递功能的无线传能系统来说，只需增加一个开关器件即可使系统具备信息传递功能。