基于移相調制的無線供電與信息協同傳輸技術

華 超 周 巖 胡 震 朱建鑫

基于移相調制的無線供電與信息協同傳輸技術

華 超 周 巖 胡 震 朱建鑫

（南京郵電大學自動化學院、人工智能學院 南京 210023）

該文提出一種基于移相調制的無線供電與信息協同傳輸技術。通過控制全橋逆變器的頻率和移相角，將工作狀態分為兩種：當系統僅需要無線供電時，移相全橋逆變器的工作頻率等于系統一次和二次線圈諧振頻率p，實現無線電能的高效率傳輸；當系統需要同時進行無線供電與信號傳輸時，移相全橋逆變器控制頻率采用p/3作為低頻通信頻率，通過調制移相角實現信號傳輸，利用其3次諧波頻率p進行高效率無線電能傳輸。理論上，通信時所選擇的工作相位點僅影響基波頻率點幅值分量以實現解碼，而對實現無線供電諧波頻率點幅值沒有影響。該技術采用二次側雙諧振回路構造能量接收電路和信號解調電路，可在同一套硬件裝置上實現信道復用，實現低頻通信信號的傳輸和無線電能的高效率傳輸，在海洋等對通信頻率敏感的介質條件下具有明顯優勢。

無線供電與信息協同傳輸 移相控制 頻率控制 全橋逆變器

0 引言

為了解決無線設備的供電與通信問題，近年來無線電能與信號同步傳輸技術發展迅速[1-2]，其非接觸式的供電方式以及同步通信功能大大增強了用電設備的續航和信息傳輸能力，在生物醫學、海洋等特殊場合有著廣闊的應用場景。

基于磁耦合諧振式無線電能與信息同步傳輸是當下無線供電技術研究領域的熱點之一[3-4]，根據無線供電和無線通信信道的共享方式可分為兩大類：信道分離式[5-7]和信道復用式[8-10]。信道分離式方案需要在一次、二次線圈分別構造無線供電線圈和通信線圈，文獻[5]中提出一種特殊的十字形磁耦合機構來完成電能與信息的同步傳輸，但顯著增加了系統的復雜性。文獻[7-8]中提出一種基于三線圈結構的近場耦合無線攜能通信的改進方案，通過在二次側接收線圈附近布置一個信號接收線圈實現能量傳輸通道與信息傳輸通道的分離。但其利用一次側諧波作為通信信源，不利于系統電磁干擾（Electro- magnetic Interference, EMI）性能的提升。

信道復用式的無線電能與信息協同傳輸技術是在一個共享通道中實現電能與信息的傳輸，作為傳輸介質的電磁場本質上既可以作為能量載體也可以作為信息載體[11-13]，所以其核心難點在于如何實現無線電能與信號之間的解耦或弱耦合傳輸。文獻[12-13]將一次、二次線圈同時作為電能傳輸通道與信息傳輸通道，文獻[12]中直接用電能傳輸波形作為通信載波，將信號直接調制加載于電能波形上，該方案電路結構簡單，但數據傳輸速率對電能傳輸效率影響較大；文獻[13]中提出一種基于信源重構的單通道式無線電能與信息協調傳輸技術，通過在二次線圈中捕捉頻率信息進行信源重構實現電能傳輸通道與信息傳輸通道的復用。總體而言，采用復用信道的方式簡化了電路結構，避免了無線供電線圈與通信線圈之間的電磁干擾，且更具有優勢。另外，在海洋環境等介質電導率較高的場合，海水對高頻通信電信號具有較強的衰減特性[14]，還需要進一步研究合理的無線供電與通信復用方案。

本文提出一種基于相位調制的無線供電與信息協同傳輸技術，該技術通過降低移相全橋逆變器的控制頻率在一次線圈上產生用于通信的低頻載波[15]。通過對逆變器進行相位控制改變系統電流中基波與諧波的含量，利用二次側的選頻網絡將基波與諧波分離[16]，從而實現穩定的電能與信息傳輸。與其他同步傳輸方案相比，本文所提方法可在低頻通信的同時實現無線供電的高效率傳輸，特別適用于在海洋等高電導率介質場合應用。

1 系統架構及其原理

1.1 電路方案

本文在二次側分別構造無線供電和無線信息傳輸LC諧振回路如圖1所示，系統電路結構如圖1a所示。通過相位控制對通信載波進行幅值調制，從而實現無線電能與信息的同步傳輸。

圖1 基于相位控制的無線電能與信息同步傳輸系統

基本拓撲結構主要有相位調制電路、逆變電路、發射電路、接收電路以及包絡檢波解調回路等部分組成。in為直流電壓，主電路由移相全橋逆變器構成，p為逆變器輸出電壓。發射電路由自感p、內阻p的發射線圈和諧振電容p組成。接收電路包含了兩條不同的頻率選擇電路，實現基波與3次諧波的分離。其中自感為n、內阻為n的接收線圈和諧振電容n組成電能接收通道；自感為s、內阻為s的信號檢測線圈和諧振電容s組成信號接收通道。信號解調電路由針對幅值變化的包絡檢波電路和判決電路組成。圖1b為移相全橋逆變器的驅動信號和其輸出的電壓波形。其中Q2與Q1互補，Q3與Q4互補。

本文將逆變器的控制頻率分別設置為傳能頻率和通信頻率，且傳能頻率等于諧振線圈諧振頻率，通信頻率等于諧振線圈諧振頻率的1/3。

設r為移相全橋逆變器的工作頻率，r為角頻率，為了實現高效率的無線電能傳輸，發射線圈和接收線圈諧振頻率均為p，p為發射線圈和接收線圈諧振角頻率。信號接收通道的諧振頻率sp/3，s為信號接收通道諧振角頻率，具體關系為

當逆變器工作頻率fr=fp時，系統處于全諧振狀態，系統進行高效率的無線電能傳輸；當逆變器工作頻率fr=fp/3時，通過相位控制調制基波分量進行通信，同時利用一次側3次諧波進行高效率的電能傳輸。電能與信息傳輸通道復用如圖2所示。

1.2 控制原理

為簡化計算過程，忽略死區對系統的影響，對逆變器的輸出電壓進行傅里葉分解，得到

式中，pk為逆變器次諧波電壓幅值；為逆變器的移相角；為逆變器輸入直流電壓幅值。

圖3為系統等效電路，圖中，nk為a、b兩點之間的電壓，即信號檢測回路輸入電壓，根據等效電路對輸出電流次諧波分量進行計算。

根據基爾霍夫定律，圖3中電流方程可以表示為

式中，pk和sk分別為主回路等效阻抗和信號檢測通道等效阻抗，即

可得一次側和二次側各支路電流表達式分別為

二次側回路的總阻抗表示為

(r)2/則可以表示電路二次側對一次側的反射阻抗，所以可以用圖4所示的映射阻抗等效電路來表征一次側和二次側的關系。

圖4 映射阻抗等效電路

Fig.4 Mapping impedance equivalent circuit

輸出電壓的次諧波分量的有效值為

則輸出電流的次諧波分量的有效值為

為了分析改變逆變器的控制頻率對一次側輸出電流的影響，令r分別等于150、50、30 kHz，移相角始終保持為0，進行仿真計算，仿真具體參數見表1。

表1 仿真參數

Tab.1 Simulation parameters

逆變器不同控制頻率下一次電流各頻率分量幅值如圖5所示。從圖5的仿真結果可以看出，當逆變器的控制頻率滿足式（9）時，一次電流諧振頻率電流幅值有所降低，3次和5次諧波所能傳遞的功率為原來的1/9和1/25。

可見采用該方法通過降低開關頻率，可以用與諧振頻率相等的諧波分量進行電能的傳輸，系統的傳輸功率受限，但對無線供電的工作效率沒有影響。降頻產生的基波分量可以用作通信載波進行信息傳輸。

圖5 逆變器不同控制頻率下一次電流各頻率分量幅值

Fig.5 Amplitude of each frequency component of primary side current under different control frequency of inverter

1.3 相位調制策略

當系統需要傳輸信息時，對通信載波進行相位控制從而實現信息的傳遞。為了簡化分析，本文主要討論通信頻率控制下的基波和3次諧波電流與移相角的關系。選取50 kHz作為系統通信時逆變器的控制頻率，定義為各階次諧波在一次電流中的含有率，其表達式為

根據式（10），圖6給出了不同相位下，基波和3次諧波在一次電流中的占有率。可以看出，隨著移相角變大，一次電流中基波含有率由小變大后再變小；3次諧波含有率由大變小后再變大。所以合理地選擇移相角，可以有效調整一次電流中的電流成分。

為了一般化表示通信頻率控制下各諧波分量與相位的關系，引入歸一化值G，表達式為

圖6 不同相位下各階次諧波一次電流含有率