LCL-S型注入信號式能量與信號共享通道ICPT系統(tǒng)研究

周仁迪, 徐科峰, 齊紅麗, 李 濤, 吉小軍, 雷華明*

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200310)

傳統(tǒng)的供電方式借助電纜實現(xiàn)電能的直接傳輸，其具有電纜損壞、觸電、不便轉(zhuǎn)動移動等潛在問題。感應(yīng)耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer,ICPT)技術(shù)依靠電磁感應(yīng)原理，利用高頻電流產(chǎn)生交變磁場、交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓的環(huán)節(jié)鏈，實現(xiàn)電能的無接觸傳輸，安全可靠，適用性高，是一種有望替代傳統(tǒng)有纜供電方式的新型無線供電技術(shù)。

為了消除系統(tǒng)的無功功率，提升能量傳輸效率，ICPT系統(tǒng)有4種基本諧振補償方式：SS、SP、PS、PP[1]。其中，SS和SP拓?fù)淠孀兘Y(jié)構(gòu)的開關(guān)管的電流與流過負(fù)載的大小相同，開關(guān)管的損耗較大；PS和PP拓?fù)淠孀兘Y(jié)構(gòu)的開關(guān)管所承受的電壓較大，開關(guān)管有損壞的風(fēng)險[2]。相對于以上基礎(chǔ)補償拓?fù)洌琇CL-S型拓?fù)渚哂锌赏ㄟ^阻抗變換減小逆變結(jié)構(gòu)開關(guān)管的電流大小、對逆變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高頻雜波過濾性更好和可實現(xiàn)負(fù)載恒壓等優(yōu)點[3]。

在ICPT的應(yīng)用場景中，經(jīng)常要求系統(tǒng)受電側(cè)向供電側(cè)進行數(shù)據(jù)傳輸，例如測量溫度、力、扭矩等信號的回傳，又或者系統(tǒng)受電側(cè)工作狀態(tài)的監(jiān)控，可通過增設(shè)額外的信號收發(fā)設(shè)備(如藍(lán)牙、RF設(shè)備)來實現(xiàn)，但會增加系統(tǒng)成本，且不適用于一些安裝環(huán)境苛刻的情況。因此在不增設(shè)額外設(shè)備的前提下，盡量依靠ICPT系統(tǒng)自身實現(xiàn)信號的反向傳輸，是一種經(jīng)濟且便利的方法，具有較大的研究價值。

針對于數(shù)據(jù)反向傳輸，目前的ICPT系統(tǒng)電能與信號共享通道技術(shù)主要用到的方法有：分時復(fù)用法、部分線圈法、寄生參數(shù)法和串并聯(lián)注入法[4]。分時復(fù)用法[5]通過開關(guān)選擇結(jié)構(gòu)在一個能量波形周期內(nèi)將系統(tǒng)的電能與信號錯時傳輸，某時刻系統(tǒng)只傳輸能量或者傳遞信號，避免了其相互干擾，但其能量傳輸效率和信號傳遞速率毫無疑問會受到影響。部分線圈法[6]將一部分能量傳輸線圈作為信號傳遞線圈，并在其旁并聯(lián)信號調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)，然而當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載為重載時，能量波形頻率會對信號傳遞過程產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性。寄生電容法[7]利用能量耦合結(jié)構(gòu)之間的寄生電容和實際應(yīng)用中屏蔽層之間的寄生電容所形成的回路實現(xiàn)能量與信號的共同傳輸。然而寄生電容往往很小，對匹配參數(shù)的精度要求很高，實際應(yīng)用中會存在穩(wěn)定性和可靠性問題。串并聯(lián)注入法[8-9]通過信號調(diào)制解調(diào)變壓器與能量耦合線圈串聯(lián)或并聯(lián)，實現(xiàn)能量信號的同時傳輸。上述方法中，串聯(lián)注入方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更簡單，參數(shù)更易配置，對能量傳輸過程影響更小。

目前尚未有將性能優(yōu)良的LCL-S型ICPT拓?fù)渑c簡單易行的串聯(lián)注入法相結(jié)合以實現(xiàn)能量的正向傳輸和信號的反向傳遞的研究，且一般ICPT系統(tǒng)的研究限于理論推導(dǎo)，鮮有使用Simuink進行完整建模仿真的報道。因此，筆者基于串聯(lián)注入式信號傳遞方法，對LCL-S拓?fù)涞腎CPT系統(tǒng)能量與信號的同時傳輸進行了整體分析；運用交流阻抗法對系統(tǒng)能量傳輸通道與信號傳遞通道分別進行理論分析，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了信號傳遞函數(shù)；最后以負(fù)載電壓恒定為前提分析計算了系統(tǒng)參數(shù)，搭建了MATLAB/Simulink仿真模型，制作了實際電路,驗證了所提出系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)原理

本文所提出的LCL-S型注入信號式ICPT電能信號共享通道系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 LCL-S型注入信號式ICPT電能信號共享通道系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主電路為基于LCL-S拓?fù)涞腎CPT系統(tǒng)，在原副邊能量耦合電感旁串聯(lián)小感值電感作為信號調(diào)制與信號解調(diào)結(jié)構(gòu)。其中，L7為原邊諧振電感；C1為原邊諧振補償電容；L1為原邊耦合線圈電感；L2為副邊耦合線圈電感，其與L1構(gòu)成能量耦合主變壓器，在ICPT系統(tǒng)中一般為空心變壓器，其互感M1相對較小，耦合系數(shù)較低；C2為副邊諧振補償電容；RL為全橋整流及后續(xù)電路折算的等效負(fù)載；L6和L5為信號調(diào)制變壓器的原副邊線圈；M3為其互感值；L3和L4為信號解調(diào)變壓器的原副邊線圈；M2為其互感值；C3、C4為信號調(diào)制和解調(diào)變壓器的初級線圈的諧振補償電容。

1.1 能量傳輸原理

ICPT技術(shù)通過發(fā)射線圈和接收線圈之間的磁感應(yīng)耦合現(xiàn)象實現(xiàn)原邊到副邊的電能傳輸。LCL-S型ICPT系統(tǒng)的等效原理圖如圖2所示。由于在能量頻率處信號調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)的阻抗很大，其反射回能量回路的阻抗很小，所以分析能量傳輸時調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)等效于其串聯(lián)在能量回路中的L5和L3[10]。

圖2 LCL-S型ICPT系統(tǒng)的等效原理圖

能量傳輸?shù)墓ぷ髟頌椋褐绷麟娫唇?jīng)過高頻逆變輸出頻率為f0的方波電壓ui，通過L7、C1、L1和L3構(gòu)成的LCL諧振補償網(wǎng)絡(luò)，消除原邊線圈和副邊折算到原邊的感抗，增強系統(tǒng)的功率傳輸性能，同時濾除ui中除基波外的高頻分量，在原邊線圈L1中產(chǎn)生正弦電流，其在空間中激發(fā)出高頻交變磁場，副邊線圈L2基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并和電容C2構(gòu)成諧振補償結(jié)構(gòu)最大化拾取電能，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后向負(fù)載輸出電能。

1.2 信號傳遞原理

本系統(tǒng)中使用開關(guān)鍵控的2ASK信號調(diào)制方式，用高頻信號波形的“有”和“無”分別表征數(shù)字信號的“1”和“0”。為保證能量與信號的同時傳輸，信號波形的頻率為MHz級，遠(yuǎn)大于能量波形的kHz級。信號傳遞方向為副邊到原邊，與能量傳輸共用主變換器原副邊線圈。增加信號調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)信號傳遞的等效原理圖如圖3所示，其中RS為信號解調(diào)電路的輸入阻抗。在分析信號傳遞過程時，能量輸入端口可視作短路。

圖3 系統(tǒng)信號傳遞的等效原理圖

信號傳遞的工作原理為：當(dāng)所傳遞的數(shù)字信號為1時，信號源usi輸出頻率為fs的電壓信號。經(jīng)過C3和L6組成的諧振頻率為fs的串聯(lián)諧振電路，抑制usi中的高頻雜波；然后通過L6和L5組成的信號調(diào)制變壓器將信號傳遞到副邊回路，再由主變壓器耦合至原邊；最后由信號解調(diào)變壓器拾取信號波形，C4和L4構(gòu)成諧振頻率為fS的LC并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，抑制電能頻率的波形，放大信號頻率的正弦波。

2 系統(tǒng)參數(shù)選取及傳遞函數(shù)計算

2.1 ICPT系統(tǒng)參數(shù)計算

逆變電路輸出頻率為f0的方波，由傅里葉變化知其可等效為頻率f0的正弦基波及其奇次諧波，隨著諧波頻率的增加，其對應(yīng)分量的幅值越來越小。又由于LCL網(wǎng)絡(luò)對基波之外的諧波具有抑制作用，所以為了對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)分析，忽略高次諧波，僅考慮基波的作用。為最大化能量傳輸效率，務(wù)必使原副邊電路均工作在諧振狀態(tài)，也即在配置電感電容參數(shù)時，應(yīng)使副邊電路在頻率為f0時發(fā)生串聯(lián)諧振，其阻抗為阻性；同樣地，也應(yīng)使原邊電路在頻率為f0時其阻抗虛部為0。

如圖2所示，副邊回路阻抗為

(1)

令式(1)虛部為0，得到：

(2)

選取滿足條件的L2、L5、C2,即可令ZS=RL。

當(dāng)ω=ω0時，原邊電路的阻抗為

(3)

(4)

此時系統(tǒng)輸入阻抗僅實部不為0。根據(jù)變壓器知識，當(dāng)ω=ω0時原邊電路等效圖如圖4所示。

圖4 當(dāng)ω=ω0時原邊電路等效圖

輸入電流為

(5)

流經(jīng)L1的電流為

(6)

由變壓器互感模型可得到L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

(7)

需要注意的是，eL2區(qū)別于uL2，由于副邊L2和C2發(fā)生串聯(lián)諧振，所以此感應(yīng)電壓都落到負(fù)載上，即

(8)

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)固定時，負(fù)載得到的感應(yīng)電壓與負(fù)載大小無關(guān)，僅與原邊等效能量線圈L0、原副邊線圈互感M1和輸入電壓ui有關(guān)，這對于ICPT系統(tǒng)改變負(fù)載時的適用性和對外界擾動的抵御具有很大的意義。但需要注意的是，由式(5)可知，負(fù)載RL不可太小，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)輸入電流過大。

2.2 信號傳遞電路傳遞函數(shù)計算

如圖3所示，原邊信號解調(diào)回路的阻抗為

(9)

原邊能量回路阻抗為

(10)

副邊能量回路阻抗為

(11)

副邊信號調(diào)制回路阻抗為

(12)

由圖3可得：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

所以，信號傳遞函數(shù)為

(18)

3 系統(tǒng)仿真分析

本文仿真的參數(shù)參照實際情況，由于線圈繞制時電感值不好確定，所以某些值與理論計算有少許的偏差。實際繞制的原邊能量線圈電感L1為29.3 μH，等效串聯(lián)電阻為158 mΩ，副邊能量線圈電感L2為54.5 μH，等效串聯(lián)電阻為310 mΩ，L1和L2互感M1為14.9 μH。副邊電路需要5 V供電，由于使用全橋整流，所以負(fù)載上的電壓峰值需要大于5/0.9=5.555 V，選定輸入交流電壓ui峰值為12 V，則根據(jù)式(8)可計算得到負(fù)載RL上的電壓峰值為5.768 V。選定逆變和補償網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率f0為112 kHz，信號調(diào)制解調(diào)變壓器線圈感值要比原副邊能量耦合線圈小很多，選定L3、L4、L5、L6為1.5 μH，信號調(diào)制解調(diào)變壓器初次級的互感M2和M3為1.4 μH，原邊諧振線圈L7為31 μH，等效串聯(lián)電阻為58 mΩ，大體滿足L1+L3=L7=L0，在以下計算中取L0為30.8 μH。信號電壓usi幅值為2.5 V，頻率為4 MHz，計算其他電路參數(shù)，參考實際情況取值，一并列入表1，并根據(jù)這些參數(shù)在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.1 電能傳輸仿真結(jié)果

在表1的參數(shù)設(shè)置下，由式(6)可得，流經(jīng)原邊線圈L1的電流峰值為0.554 A，與輸入電壓同相；根據(jù)式(8)可計算得到負(fù)載RL上的電壓峰值為5.768 V，且相位超前輸入電壓90°，電能傳輸仿真圖像如圖5所示。

圖5 電能傳輸仿真圖像

圖5(a)為流經(jīng)線圈L1的電流，經(jīng)測量其峰值為0.557 A；圖5(b)為負(fù)載RL上的電壓，經(jīng)測量其峰值為5.803 V，與理論計算值十分接近，且超前輸入電壓90°，說明調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)并未對系統(tǒng)造成影響。實際應(yīng)用中，根據(jù)負(fù)載所需的電壓選擇ui、L0和M1，可以便捷地實現(xiàn)負(fù)載恒壓。

3.2 信號傳遞仿真結(jié)果

在MATLAB/Simulink中搭建由高通濾波、二極管檢波[12]、比較器構(gòu)成的信號解調(diào)電路，在信號輸入口使用二進制發(fā)生器生成隨機的0、1數(shù)字信號，作為一個開關(guān)的控制信號，開關(guān)連接信號電壓源與信號調(diào)制結(jié)構(gòu)。信號調(diào)制過程與信號解調(diào)過程分別如圖6、圖7所示。

圖6(a)為待調(diào)制的隨機二進制信號，圖6(b)為副邊線圈L2上的電壓波形，在112 kHz的能量波形上可以看到疊加的4 MHz信號波形。

如圖7(a)所示，經(jīng)過高通濾波后，112 kHz的能量波形已經(jīng)被很好地過濾掉，圖7(b)所示的二極管檢波后的波形較好地體現(xiàn)了信號的包絡(luò)，圖7(c)所示的經(jīng)過比較器后的波形顯示二進制信號能被完好地復(fù)原出來，證明了所提出的系統(tǒng)進行反向信號傳輸?shù)目尚行浴?/p>

圖6 信號調(diào)制過程

圖7 信號解調(diào)過程

3.3 信號傳遞函數(shù)頻域響應(yīng)分析

據(jù)表1所列參數(shù)使用MATLAB繪制了信號傳遞函數(shù)G0的伯德圖，如圖8所示。

圖8 信號傳遞函數(shù)G0的伯德圖

由幅頻特性圖可見，信號傳遞函數(shù)在略小于4 MHz處達(dá)到最大增益點，且在頻率為112 kHz處顯示出極大的抑制，這有利于信號的解調(diào)；由相頻特性圖可見，在4 MHz頻率附近相位曲線十分平坦,說明可以利用4 MHz的信號穩(wěn)定地進行信號傳輸。傳遞函數(shù)G0的伯德圖理論上證明了所提出的系統(tǒng)可以利用4 MHz的載波進行信號的反向傳遞。

4 實際電路驗證

4.1 測試電路介紹

本文的實際測試電路如圖9所示。

圖9 實際測試電路

為了便于應(yīng)用，測試電路系統(tǒng)由原邊供電板、副邊受電板、副邊信號調(diào)制板和原邊信號解調(diào)板4個模塊電路組成。除了負(fù)載值，實際電路的參數(shù)與仿真中的一致。原邊使用24 V直流電壓供電的半橋逆變電路產(chǎn)生±12 V的方波,作為諧振拓?fù)涞妮斎腚娫矗边吘€圈采用同軸式結(jié)構(gòu)，副邊感應(yīng)到的交變電壓經(jīng)過全橋整流電路和穩(wěn)壓二極管后，進入低壓差線性穩(wěn)壓器(Low-Dropout Regulator,LDO)產(chǎn)生穩(wěn)定電壓供副邊測量和調(diào)制電路使用。副邊所測的電壓信號經(jīng)過放大后進入A/D采集，其輸出的數(shù)字序列信號經(jīng)MCU控制，作為4 MHz有源晶振與調(diào)制變壓器的開關(guān)選通信號。原邊通過解調(diào)變壓器從能量波形中提取信號，經(jīng)過差分放大、高通濾波、二極管檢波、同相放大、低通濾波和遲滯比較后，解調(diào)出副邊調(diào)制的數(shù)字序列信號。

4.2 能量傳輸驗證

圖10為示波器抓取的逆變輸出波形與負(fù)載電壓波形。

圖10 逆變輸出波形與負(fù)載電壓波形

如圖10所示，上面的波形為半橋逆變電路輸出的方波電壓，其峰值為12 V；下面的波形為副邊能量線圈L2與補償電容C2兩端的電壓波形，即負(fù)載兩端的電壓，其峰值為5.913 V，與仿真輸出的5.803 V十分接近。測試電路中LDO正常輸出5 V電壓而未跌落，說明副邊接收到的功率可以滿足負(fù)載需求。

使用不同阻值的電阻代替副邊負(fù)載，測量負(fù)載兩端交流電壓的峰值，計算負(fù)載電流的峰值，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

如表2所示，當(dāng)負(fù)載在較大范圍變化時，負(fù)載的電壓峰值幾近不變，證實了副邊的恒壓特性。

4.3 信號傳遞驗證

圖11為示波器抓取的副邊線圈的波形與解調(diào)輸出波形。

圖11 副邊線圈的波形與解調(diào)輸出波形

圖11中上面為副邊線圈L2的電壓波形，能量波形上面調(diào)制了數(shù)字信號序列10011111001111011，每一位的寬度為20 μs；下面的波形為原邊的解調(diào)輸出波形，所調(diào)制的數(shù)字信號可以不失真地被還原出。調(diào)制多組數(shù)字信號序列，實驗中均能完整地解調(diào)出數(shù)字信號序列，證實了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號的反向傳遞。

5 結(jié)束語

在LCL-S型ICPT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運用串聯(lián)注入式信號傳遞方法，實現(xiàn)了電能與信號的同步傳輸。通過對所提出的系統(tǒng)的進行詳細(xì)的理論分析，建立了穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以等效負(fù)載兩端的電壓恒定為前提，并考慮到信號調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)的影響，分析計算了系統(tǒng)的各個參數(shù)。在MATLAB軟件中搭建了Simulink驗證模型，仿真結(jié)果表明，信號傳遞電路引入后，負(fù)載可以實現(xiàn)與理論計算相符的恒壓特性；在能量傳輸正常的情況下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)從受電端到供電端的數(shù)據(jù)傳輸。繪制了信號傳遞函數(shù)的伯德圖，驗證了所提出的系統(tǒng)能量與信號通道共享的可行性。最后基于Simulink仿真模型搭建了實際電路，實驗結(jié)果與仿真一致，驗證了所提出的LCL-S型ICPT系統(tǒng)的能量與信號同步傳輸?shù)目尚行浴?/p>