磁谐振式能量与信息双向传输技术研究

王巧凤，范锦彪，王 燕

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

目前的动态测试过程中，越来越多测试环境的操作空间有限，并且要求对待测参数进行实时监测，因此需要对传统的存储测试系统结构进行优化。引入能量无线传输技术代替原有传统电池能够有效减小测试系统体积，采用信息无线传输技术可以实现参数的实时监测。

能量无线传输方式主要包括：电磁感应式、磁耦合谐振式和电磁辐射式，采用非接触方法将电能从电源传输到电能负载[1-2]。由于磁耦合谐振式技术传输距离较远，传输功率和效率较高，且具有位置自由、可穿透非磁性物质等优点，是国内外主要研究的无线电能传输技术[3]。在能量无线传输技术中实现信息传输最常用的方法为增加额外的信息传输线圈或使用射频RF（radio frequency）技术，但是他们都需要增加额外的通信装置，在操作空间有限的待测试设备中难以实现，并且，由于能量无线传输系统的电磁环境复杂，与射频之间的相互干扰不可避免而且分析困难，同时射频信号在地下传感器或金属屏蔽等恶劣的测试环境中衰减强烈[4]，因此这些应用不利于信号的传输，也缺乏能量无线传输的优势。将能量与信息双通道传输整合为单通道传输，不仅可以消除通信天线的干扰，而且可以保持能量传输系统的灵活性。

在利用能量传输线圈进行信息传输的研究中，文献[5]利用负载调制技术实现了低效率的信号反向传输；文献[6]提出了在负载变化的情况下对不同信号的调制策略，并对系统变负载情况下系统特性进行了分析和研究；文献[7]在能量传输拓扑结构下增加了两对信息耦合变压器，与谐振线圈间接并联连接实现了信息的传输；文献[8]对多对耦合线圈结构进行了进一步研究，提出利用阻波电路抑制了电能对载波信号的干扰，但结构相对复杂。

为了实现系统结构简单又兼顾能量传输效率和信息传输速率，本文在已有研究的基础上提出了一种结构简单的基于磁耦合谐振技术的能量与信息单通道双向传输拓扑结构，通过同一组耦合线圈实现了能量从一次侧传输到二次侧为负载供电，信息从二次侧传输回一次侧实现参数实时监测，并且使两路传输频率都在系统谐振点上，提高系统性能。引入阻波网络减少能量传输回路与信息传输回路的相互干扰。该方案有效地减小了测试系统体积，完成了对测试参数的实时监测，同时避免了在能量传输系统中增加额外的信息传输通道时产生的问题。

1 系统模型

磁耦合谐振式能量传输原理是发射线圈依靠自身的电感电容发生谐振从而产生特定频率的共振磁场，具有相同谐振频率的接收线圈会产生相同频率的振荡磁场，形成磁场共振，基于磁场共振耦合实现能量的传递[9]，在其补偿系统中有SP、PS、PP和SS型4种，由于SS型系统的电压增益与谐振补偿网络更加稳定[10]，所以在此选择SS型系统。系统虽然仅有一组耦合线圈但是设置了2个谐振频率点，低频谐振点将一次侧能量传输给二次侧为负载供电，高频谐振点将二次侧调制后的有效信息传输给一次侧解调，从而完成了能量与信息的双向传输。为了减少二次侧负载对信息载波能量的消耗影响信息传输的可靠性，同时避免两谐振回路的谐振电容相互影响造成谐振频率产生波动，降低传输效率，用电容与电感并联组成高频阻波网络[11]，将两传输回路隔离开。

图1为基于磁谐振能量传输系统的能量与信号双向传输技术电路拓扑结构。图中，US为直流电源经高频逆变后得到的高频交变电压源；RS为电压源内阻；UI为高频信息载波源；RI为高频信息载波源内阻；L1、L2为一次侧和二次侧的耦合谐振线圈；M为两线圈的互感系数；R1、R2为两个耦合线圈的电阻；C1、C2为能量耦合谐振的调谐电容，电容C3与电感L3构成一次侧的阻波网络，电容C4与电感L4构成二次侧的阻波网络；C5、C6为信息耦合谐振的调谐电容；R3为信息解调电阻；RL为负载电阻。

2 能量传输

在后续参数配置中信息传输支路的电容与电阻组成高通滤波器，阻止低频能量传输频率通过，相当于断路，所以在分析能量传输时将信息传输支路忽略。图1简化后的能量传输结构如图2所示。

根据图中所示电流方向，列KVL方程

式中：ωS为系统能量传输谐振频率；Z1、Z2为系统谐振时有一次侧、二次侧的等效阻抗，Z1、Z2的虚部为0[12]。 当 L3=L4、C3=C4、L1=L2时，有

代入式（1），解得

在仿真中互感系数M由耦合系数k确定，即

则系统传输功率为

传输效率为

当系统元件各项参数均固定时，两电感线圈之间的耦合系数k将决定能量传输的性能。而传输效率是k的单调函数，并随其增加而增大，但传输功率随着耦合系数k的增加先增加后减小，所以存在一个最佳值[13]，通过对式（6）中的k求导计算得到耦合系数k的最佳值为0.83。

3 信息传输

3.1 阻波网络

阻波网络的作用是阻止高频信息载波通过能量传输回路，该网络在信息载波频率下等效阻抗为

式中：L=L3=L4；C=C3=C4；ωi为信息载波角频率。为使其阻抗在高频信息载波频率下达到无穷大，配置电容、电阻关系为：LC=1/ω2i，则在信息传输过程中阻波网络支路可视为断路，能量传输过程中由于能量传输频率远小于信息传输频率，所以该网络等效电阻很小，不影响能量传输。

3.2 传输特性

将阻波网络视为断路，图1化简后的信息传输结构如图3所示。

为了提高信噪比，优化系统性能，在不影响能量传输的条件下将高频信息传输频率选择在系统高频谐振点处，使一次侧接收端对二次侧高频载波具有放大效果。信息传输系统的固有谐振频率为

由于L1=L2，所以两侧信息调谐电容关系为C5=C6。

在耦合系数等参数确定的情况下，高频信息载波传输过程中出现了频率分裂现象[14]，峰值点以固有谐振频率中心向两边移动，仿真得到2个峰值点如图4所示，实际高频信息载波频率可能会受到干扰发生小范围的频率波动，若在峰值点A附近发生波动时，则幅值下降明显，所以不适合作为高频信息载波频率点，因此选择B点作为高频信息载波频率点。

信息传输电路中的电容C5与电阻R3串联组成无源高通滤波器，以支路端电压为输入，电阻两端电压为输出时，其传递函数为

其幅频、相频特性如图5所示，在低频200 kHz时，为-54 dB，理论上幅值衰减较大，对能量消耗可以忽略不计，相当于断路，所以在能量传输网络中可以将信息传输支路省略。

3.3 调制解调

在信息调制过程中使用逆变器产生高频正弦波作为信息载波[15]，将二进制数字信息0和1加载到高频信息载波中，当数字信息为0时，二次侧没有高频载波通过耦合线圈，数字信息为1时，二次侧有高频载波通过耦合线圈，从而完成信息的调制。信息调制过程如图6所示。

解调电路如图7所示，为了避免解调电路的阻抗对系统产生影响，在R3两端采用高频电压跟随器进行阻抗隔离，对其接收到的电压进行包络检波后用电压比较器进行阈值比较从而解调出二次侧有效数字信息，完成信息的解调。

4 仿真验证

为了验证系统设计和理论分析的正确性和有效性，建立仿真模型，用PSpice软件搭建仿真电路进行能量与信息双向传输的仿真。图1中各项元件参数见表1。

仅有能量传输时仿真结果如图8所示，图中曲线1为一次侧交流电压源，曲线2为二次侧负载两端接收到的能量波形。仅有信息传输时仿真结果如图9所示，图中曲线3为二次侧的数字信息，频率为100 kHz，曲线4为调制后的信息载波，曲线5为二次侧接收到的调制后的信息载波。能量和信息双向同步传输时仿真结果如图10所示，其中曲线6为二次侧负载两端接收到的电压，曲线7为二次侧接收到的调制后的信息，曲线8为二次解调后得到的数字信息。

表1 仿真元件参数Tab.1 Parameters of simulation elements

通过比较仅有能量传输时和信息与能量双向传输时二次侧负载接收到的能量波形（曲线2和曲线6）的幅值可知，信息传输时不会影响能量传输效率。将二次解调得到的数字信息与一次侧传输信息对比（曲线3和曲线8）可知，信息传输有效可靠，满足系统要求。

5 结语

本文基于磁耦合谐振能量无线传输技术实现了能量与信息的单通道双向传输，采用阻波网络提高了信息载波注入耦合线圈的能量并配置了2个谐振频率点提高信噪比，优化系统性能。最后通过参数优化和PSpice仿真验证了能量与信息双向传输时不会对二次侧负载接收到的能量造成衰减，二次侧接收到的信息与一次侧的有效信息一致，满足信息传输可靠性要求。该方案为在待测设备操作空间有限、动平衡不受影响的条件下完成测试任务提供了理论指导，在实现了信息实时传输的同时避免了在双通道能量与信息同步无线传输过程中产生的问题，为更好的实现对恶劣环境下待测设备的动态参数监测提供了新的解决思路。

然而，本文所提出的方案还处于仿真阶段，对于应用在动态参数监测实践中还有待进行实验验证，后续将继续进行试验验证和系统优化研究。