一种副边斩控无线电能与信息同时传输系统

武 洁，赵崇焱，何帅彪，金 楠

（郑州轻工业大学电气信息工程学院，郑州 450002）

无线电能传输 WPT（wireless power transfer）系统通过无电气连接的形式，将电能向一定距离的负载供电，避免了金属导线接触引发的磨损、触电、火花等问题。由于其安全、可靠、方便的优点，在电子产品、医疗设备和电动汽车等行业具有广阔的应用前景[1-3]。在很多无线电能传输应用中，需要实现输出电压控制、负载检测、状态监测和多控制器同步等功能，因此有必要实现原、副边的双向通信[4-5]。

在双全桥无线电能传输系统中，通过控制原、副边的电压导通角调节传输功率，提高效率[6-11]。文献[6]采用双全桥结构，原、副边全控桥由8个MOSFET组成，能够实现传输功率调节和效率提升，在副边补偿电路不谐振时，通过副边移相控制消除多余电抗；文献[7]提出副边半控桥拓扑，实现上述功能的同时减少了MOSFET数量，其开关损耗进一步减少。

目前电能与信息传输方法主要有两种方式：一种是在电能传输的基础上搭建信息传输回路，通过调制信息载波进行信息传输，虽然该方法中信息对电能的影响较小，但是信息回路使得系统复杂度和电路尺寸大大增加[12-13]；另一种是通过控制电能载波的幅值或频率进行信号调制，实现信息传输[14-18]。文献[14]利用电能传输回路作为信息传输的信道，通过频移键控 FSK（frequency shift keying）直接在电能载波上调制实现信息正向传输，通过负载调制LSK（load shift keying）技术实现信息反向传输。本文提出一种副边斩波电路无线电能传输系统，副边仅有一个全控器件，简化了系统硬件电路；通过改变电能传输频率进行信息正向传输，通过改变副边斩波电路开关器件的频率进行信息反向传输，实现信息的双向传输。

本文首先对副边斩控无线电能传输系统进行理论分析，推导出副边开关器件导通角与负载电压之间的关系。副边通过反馈控制调节开关器件导通角，实现恒压输出；原边通过改变电能传输频率进行信号调制，实现信息正向传输。利用副边斩波电路结构，通过改变副边开关器件频率进行信息调制，设计解调电路，实现信息反向传输。最后，搭建实验电路，对所提电路结构和信息调制方法进行验证。

1 副边斩波电路无线电能传输系统模型

无线电能传输系统原理及等效电路如图1所示。图中：Vin为原边输入电压源，Q1～Q4组成原边的可控全桥结构；副边为不控整流桥结构，在整流桥与负载之间加入开关器件Q5与D5，构成斩波电路。当Q5关断时电流流经负载，当Q5开通时电流经Q5使负载短路，此时电容Co向负载供电保持电压稳定；Lp、Ls、Cp、Cs、Rp、Rs分别为原边和副边谐振回路的线圈自感、补偿电容、电阻；RL为负载电阻，稳压电容Co维持负载电压Vo稳定，Re为副边等效负载。

图1 副边斩波电路无线电能传输系统Fig.1 WPT system with chopper circuit receiver

无线电能传输系统采用直流电压源供电，逆变后产生高频交流电，原边线圈和副边线圈通过电磁感应传输电能，副边将获得的高频交流电整流成直流后供负载使用。在原边逆变器和谐振线圈，以及副边线圈和整流电路之间，加入串联谐振补偿电路，抵消电路中感性元件带来的无功功率，提高电路的功率因数。

根据基尔霍夫电压定律，可得电路方程为

式中，ω为原边和副边谐振回路的谐振角频率，与电能传输频率相同，因此原边、副边回路呈现阻性。ω表示为

2 无线电能传输分析

通过控制开关器件导通信号得到电压导通角，如图2所示，原边电压导通角为2α，副边电压导通角为2β。副边Q5频率为电能传输频率的2倍，控制Q5导通角d调整副边电压导通角，两者关系为：β=（π-d）/2。通过分析得到Q5导通角d与负载电压Vo的关系。

图2 控制信号及电压导通角Fig.2 Control signals and voltage conduction angles

原边谐振回路的输入电压Vp用基波分量有效值表示为

同理，副边电压Vs可表示为

由于副边处于谐振状态，只呈现阻性，故副边电路阻抗映射到原边Zr可表示为

原边电流Ip与副边电流Is分别表示为

副边等效负载电阻两端电压Vs=ReIs，代入式（9），可得

在本文中，保持α恒定，副边采用反馈控制调节Q5的导通角d保持负载电压恒定。当α过大时，副边开关器件导通角d随之增大。如果d值过大，导致原边解调电路输出矩形波频率不稳定；当α过小时，负载电压达不到期望值。综上，为保证信息反向传输信号的稳定性，在实验中根据系统参数将α设置为 50°。

副边斩波电路无线电能传输系统反馈控制原理如图3所示。副边采集负载电压Vo，与电压参考值U*比较，通过PID控制器调节Q5的导通角，实现对负载电压的控制。

图3 反馈控制原理Fig.3 Schematic of feedback control

3 信息双向传输分析

3.1 信息正向传输原理

信息正向传输采用FSK调制方案，通过改变原边逆变桥的开关频率，即改变电能传输频率，利用两种不同频率的电能代表信号“1”和“0”，采集副边谐振电容电压，识别2种频率，解调出传输信号。由于电容电压幅值很大，经电阻分压将幅值转换至合适大小，经比较电路后输出矩形波，输入DSP鉴频，解调出传输信号,信息正向传输原理如图 4（a）所示。

当不进行信息传输时，电能频率与补偿电路谐振频率一致；当进行信息传输时，信号“1”时电能传输频率为谐振频率，信号“0”时电能传输频率为非谐振频率，信息正向传输调制波形如图4（b）所示。

图4 信息正向传输Fig.4 Information forward transmission

3.2 信息反向传输原理

采集原边电压源输入电流，经放大电路、前级低通滤波电路、后级低通滤波电路和比较电路得出与Q5控制信号相同的矩形波，输入DSP鉴波解调出传输信号。信息反向传输原理如图5（a）所示。

由于副边采用反馈控制，能够实时调节Q5导通角保证负载电压跟踪期望值。即使Q5开关频率发生变化，副边反馈控制仍能保证负载电压恒定。当Q5控制信号频率远小于电能传输频率时，在Q5关断时，系统负载为RL，副边处于不控整流状态，系统向负载供电，此时系统传输功率处于较高水平；Q5开通时，负载短路，系统传输功率下降。根据Q5开通关断引起系统功率的变化，原边电压源电流也会产生波动，其频率与Q5开关频率一致。

基于该原理，实现信息反向传输，信息反向传输调制波形如图5（b）所示。通过Q5开关频率来表示不同的信号，传输信号1、0时，分别将Q5开关频率设为2种不同的频率，原边电压源输入电流频率会产生相同的变化。

图5 信息反向传输Fig.5 Information backward transmission

3.3 解调电路设计

解调电路由放大电路和前级低通滤波电路、后级低通滤波电路和比较电路构成，解调电路原理如图6所示。原边电压源串联电阻Ri采集电流信号，为不影响系统特性，该采样电阻阻值很小，经运放电路放大幅值。放大后的电压信号通过前级RC低通滤波电路得到低频信号，该低频信号与Q5开关频率一致，经后级RC低通滤波电路输出近似平均值。由于两道RC低通滤波电路的功能不同，其截止频率也不相同，前级RC低通滤波电路截止频率接近于Q5开关频率，后级RC低通滤波电路截止频率远小于前级低通滤波电路。将低频信号与近似平均值输入比较电路，得到与Q5控制信号频率一致的矩形波信号。将该矩形波信号输入DSP鉴频，解调出传输信号。

3.4 信息调制控制算法

电能与信息同时传输控制算法流程如图7所示。电能传输时，采集负载电压，与输出电压期望值作对比，实时调节副边开关器件的导通角，实现输出电压稳定。当进行信息传输时，根据传输信号调节控制信号的频率，正向传输时调节原边逆变电路的开关频率，即电能传输频率，反向传输时调节副边Q5的开关频率。信息传输完成后，将系统频率调回至原始值。

图6 信息解调电路原理Fig.6 Schematic of information demodulation circuit

图7 控制算法流程Fig.7 Flow chart of control algorithm

4 实验结果及分析

在上述分析的基础上搭建了实验平台，如图8所示，验证所提出的无线电能与信息同时传输系统。直流电压源为SW-6000W-300V，控制器为TMS320 F28335 DSP，MOSFET 管选择为C2M0080120D，功率二极管选择为C4D20120D，使用示波器Tektronix TPS2024B采集波形。系统参数如表1所示。

图8 无线电能与信息传输实验平台Fig.8 Experimental platform of simultaneous wireless information and power transfer

表1 系统参数Tab.1 System parameters

4.1 信息正向传输实验波形

改变原边逆变桥工作频率（即电能传输频率）可实现信息正向传输。系统谐振频率为85 kHz，在信息正向传输时需要85 kHz和另外一个电能频率分别代表1、0信号。该频率与谐振频率的偏差不能太大，否则谐振补偿电路产生大量无功功率，效率下降；而且该频率与谐振频率的偏差也不能太小，需要满足DSP的频率分辨性能，解调出1、0信号。经实验验证，82 kHz和85 kHz这2种频率能够满足上述要求，被选为信息正向传输调制频率，分别对应信号0和1。

副边谐振电容电压频率与电能频率一致，采集电容电压，经电阻分压，输入比较电路后得到与电能相同频率的矩形波。图9给出电能频率为82 kHz、85 kHz时的副边谐振电容电压、比较电路输出矩形波和负载电压实验波形。改变电能传输频率会引起原、副边补偿电路不谐振，由于副边反馈系统对Q5的调节，负载电压仍保持50 V恒定。

图9 不同电能传输频率的实验波形Fig.9 Experimental waveforms at different power transfer frequencies

通过改变电能传输频率进行正向信息传输，不同速率的实验波形如图10所示，图中，信号“1”对应电能传输频率85 kHz，信号“0”对应电能传输频率 82 kHz，图 10（a）、（b）传输速率分别为 1 kbit/s和5 kbit/s，实验波形依次为传输信号、副边谐振电容电压和负载电压。实现信息正向传输的同时，保持负载电压50 V恒定。

4.2 信息反向传输实验波形

信息反向传输时，Q5频率需要足够低能够引起原边输入电流的明显变化，通过该变化在原边解调出与Q5频率一致的矩形波信号。由于原边解调电路解调频率范围有限，实验过程中Q5频率在4～12 kHz之间时原边能够解调出稳定频率的矩形波。本文选取5 kHz、10 kHz作为信息反向传输的调制频率，分别对应信号0、1，实验结果如图11所示，实验波形依次为Q5控制信号、前级RC低通滤波输出和后级RC低通滤波输出以及解调电路输出矩形波。

图10 不同信息正向传输速率的实验波形Fig.10 Experimental waveforms at different information forward transmission rates

图11 不同Q5频率下传输的实验波形Fig.11 Experimental waveforms at different Q5 frequencies

Q5频率为5 kHz时代表信号0，Q5频率为10 kHz时代表信号1，则信息反向传输的实验波形如图12所示，依次为反向传输信号、Q5控制信号、解调电路输出和负载电压的实验波形。

改变Q5频率的切换速度，对信息传输速率进行调节。为保证DSP鉴频的准确性，传输每一位信号的时间应是Q5开关信号周期的整数倍，减少解调信号的误码率。如图12（a）所示，信号0为5 kHz的5个周期，信号1为10 kHz的10个周期，实现1 kbit/s的信息传输。如图12（b）所示，信号0为5 kHz的1个周期，信号1为10 kHz的2个周期，实现5 kbit/s的信息传输。在1 kbit/s、5 kbit/s反向信息传输过程中，均保持负载电压50 V恒定。

图12 不同信息反向传输速率的实验波形Fig.12 Experimental waveforms at different information backward transmission rates

5 结语

本文提出一种新型副边斩控无线电能传输结构及信息双向传输调制方法，分析了系统的工作原理并推导了变量之间的关系，给出了各部分电路的原理图，搭建实验平台对所提出的信息双向传输方法进行了验证。实验表明，所提出的副边斩控结构和信息调制方法能够实现电能和信息同时传输以及信息双向传输。信息反向传输时，全控器件Q5的切换速度对信息传输速率有直接影响。