MC-WPT系统能量与信号并行传输技术研究

殷 勇, 王成亮, 肖宇华, 高 源

(1.国网江苏省电力有限公司, 江苏 南京 210000;2.江苏方天电力技术有限公司, 江苏 南京 210000;3.重庆大学 自动化学院, 重庆 400044)

0 引 言

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术开启了电力传输的新大门,WPT技术突破了电气工程设备取电依托导线传输的枷锁,相较有线电能传输方式具有安全、稳定、非接触、无磨损等优点[1-4]。随着应用范围的扩大,在实现能量无线传输的同时,实现一次侧、二次侧信息交互是又一项非常有工程和学术价值的内容。无线能量与信号同步传输(Simultaneously Wireless Power and Signal Transfer,SWPST)是在实现能量无线传输的同时,实现一次侧、二次侧间的通信。

近年来,专家和学者们提出了多种实现能量信号并行传输的方法。文献[5]阐述了SWPST系统的优势以及当前存在的挑战,为后面的研究奠定了一定的基础。文献[6]针对物联网设备,提出了最优化设计接收端体积的方法,在保证最大功率传输的同时高速传输数据信号。文献[7]针对5G应用场景,提出了相关物理系统的设计方法。文献[8]针对大功率应用场合,提出了基于共享通道的双向能量和信号并行传输的方法。文献[9-10]研究了不同的信号调制方法,实现了能量信号的并行传输。文献[11-14]通过设计不同的电路拓扑,实现了数据信号的注入和提取。但这些成果大多只是研究了针对特定应用场景下一种特定的通信方法,而且存在参数设计复杂、工程化困难等问题。

因此,本文以磁耦合无线电能传输(Magnetically Coupled WPT,MC-WPT)系统为基础,针对双线圈单负载WPT系统为例,结合了耦合线圈的磁场分布特点,通过加入一对特殊的信号传输线圈,实现了能量和信号的并行传输,并推导了系统的电路模型,得出了电能输出特性。基于特定的电能耦合机构的结构特点和电能磁场分布特征,设计了专用的信号线圈结构,最大化减小电能耦合机构和信号传输线圈之间的交叉耦合,进而减小能量传输和信号传输之间的相互干扰,在保证电能稳定传输的同时,实现了信号的高速双向传输。

1 LCC-S型无线电能和信号并行传输系统

1.1 系统建模

电能与信号并行传输系统结构如图1所示。一次侧电能线圈、一次侧信号线圈、二次侧信号线圈、二次侧电能线圈依次同轴放置。其中,一次侧电能线圈和一次侧信号线圈在同一侧,二次侧电能线圈和二次侧信号线圈在同一侧,两者紧密贴近但分别位于两个回路中。为了讨论的方便,将负载放在二次侧电能线圈回路上。各线圈之间的距离在图1中均有标示。一次侧电能线圈与一次侧信号线圈的距离为d1,两侧信号线圈之间的轴向距离为d2,二次侧电能线圈与二次侧信号线圈的距离为d3;在数值上,d1=d3≪d2,电能传输距离可以视为d2。一次侧电能线圈作为能量转换和发射单元,二次侧电能线圈作为能量接收和转换单元,一次侧信号线圈和二次侧信号线圈同时作为信号发送和接收单元。Us表示一次侧功率线圈的激励电压,Ur表示二次侧线圈的接收电压,Ua和Ub分别表示一次侧信号线圈和二次侧信号线圈的激励或接收到的信号电压。基于该方法,能量能够从一侧单向传输到另一侧,信号能够双向同时传输。为了减小信号传输和能量传输彼此之间的相互干扰,能量传输的频率需要与信号传输的频率区分开。本文能量传输的频率设定为150 kHz,信号传输的频率设定为2～30 MHz。

图1 电能和信号并行传输系统结构

图1中,线圈之间的耦合使用互感的方式表示,其中Mij(i=1,2,3;j=1,2,3,4)表示图1中从左往右第i个线圈和第j个线圈之间的互感。M14表示一次侧电能线圈和二次侧电能线圈之间的互感,其大小决定了电能传输的能力。M23表示一次侧信号线圈和二次侧信号线圈之间的互感,其大小决定了信号传输的能力。其余的互感系数表示信号线圈和电能线圈之间的交叉耦合,为了减小能量和信号传输之间的相互干扰,设计时需要尽可能地减小。

MC-WPT系统电能与信号并行传输系统电路原理图如图2所示。其中L1表示一次侧功率线圈的电感,C1为一次侧功率线圈的补偿电容,up表示一次侧功率线圈的激励;L2表示一次侧信号线圈的电感,C2为一次侧信号线圈的补偿电容,ua表示一次侧信号线圈的激励或接收到的信号电压;L3表示二次侧信号线圈的电感,C3为二次侧信号线圈的补偿电容,ub表示二次侧信号线圈的激励或接收到的信号电压;L4表示二次侧能量线圈的电感,C4为二次侧能量线圈的补偿电容,RL表示能量接收线圈的等效负载。

图2 MC-WPT系统电能与信号并行传输系统电路原理图

(1)

1.2 补偿拓扑

图3 基于LCC-S型拓扑的无线电能传输系统电路原理图

为了满足谐振补偿的条件,系统工作角频率ω等于各回路谐振角频率ω0,并满足:

(2)

根据电路原理可得二次侧回路的总阻抗Zs为

Zs=Rs+Re+jωLs+1/jωCs

(3)

式中:Rs——二次侧线圈内阻;

Re——整流电路的等效输入阻抗。

二次侧电路在一次侧发射线圈回路的反射阻抗Zr为

Zr=(ωM)2/Zs

(4)

假设系统处于完全谐振状态,则一次侧电路的总阻抗Zp为

(5)

式中:Rp——一次侧发射线圈内阻;

Rf——一次侧补偿电感内阻。

根据电路并联分流原理,可得一次侧线圈上的电流Ip的表达式为

(6)

根据互感耦合模型,二次侧电能线圈上的感应电压Us计算公式为

Us=jωMIp

(7)

根据式(5)可知,一次侧电能线圈上的电流Ip只与谐振网络的激励电压和补偿电感Lf有关,与能量耦合机构的耦合性能、二次侧电能线圈的输出功率等均无关。

1.3 耦合机构设计

MC-WPT系统的核心是耦合机构,耦合机构线圈的电气特性决定了WPT系统的电能传输性能。耦合机构的发射端或者接收端一般都各包含3个部分,分别是线圈、磁芯和金属屏蔽板。耦合性能与相对Z轴旋转角度的关系如图4所示。由图4可见,平面圆形耦合机构的抗角度旋转偏移性最好,其次是平面方形的耦合机构,DD形耦合机构的抗角度偏移性最差。

图4 耦合性能与相对Z轴旋转角度的关系

本文基于平面圆形结构,设计了一种耦合机构。磁耦合机构如图5所示。该耦合机构工作距离为20 mm,其一次侧和二次侧呈对称结构,其结构和性能完全相同。

使用有限元方法对线圈进行建模设计。耦合机构线圈设计参数如表1所示。

根据表1,设计的线圈磁场分布如图5(b)。由图5(b)可见,平面圆形线圈外表面的磁场分布整体上是均匀分布的。越靠近内部,磁场强度越大;越靠近边缘,磁场强度越小。磁场分布比较均匀的范围在中间。根据磁场的这个特性,设计了单匝D形线圈作为传输信号的通信线圈,其直径略小于电能线圈的最大外径,其位置关系如图5(a)。

表1 耦合机构线圈设计参数

基于图5的耦合机构模型,通过有限元软件仿真分析,耦合机构互感与竖直距离之间的关系如图6所示。由图6可知,针对双线圈系统,能量线圈间的互感与竖直偏移距离近似呈指数关系。

图5 磁耦合机构

图6 耦合机构互感与竖直距离之间的关系

从曲线趋势可以看出,耦合机构的相对距离越近,其互感值越大;耦合机构的相对传输距离越远,其互感值越小。

研究互感与耦合机构一次侧和二次侧电能线圈相对偏移之间的关系。互感和X方向偏移与Z方向偏移的关系如图7所示。

图7 互感和X方向偏移与Z方向偏移的关系

图7中“X方向偏移”是指耦合机构的一侧沿着XOY平面X轴方向水平移动。由于圆形耦合机构的对称性,本文只展示相对X轴正方向移动的结果。“Z方向偏移”是指竖直方向的相对距离发生变化,负值表示传输距离变近,正值表示传输距离变远。图7中坐标轴平面XOY上的曲线是三维曲面的等高线,数字表示互感值。由图7可见,随着X方向偏移距离的增加,耦合互感的值变小。随着Z方向偏移距离的减小,耦合互感的值变大;随着Z方向偏移距离的增加,耦合互感的值变小。互感值与水平偏移和竖直偏移是非线性的关系。

2 仿真和实验验证

基于MATLAB/Simulink,建立了系统的仿真模型。对于信号传输电路,使用幅值键控(ASK)的方式实现数据传输。主要仿真参数如表2所示。

表2 主要仿真参数

信号双向传输时,为了便于观察信号的特征,在保证能量传输系统工作状态不变情况下(Ip=2.5 A,Is=2.5 A,Po=200 W),200 W能量传输环境下信号同时双向传输。一次侧信号线圈电压Ua如图8所示。

由图8可见,一次侧信号线圈的信号Ua主要由两部分组成,其中高频部分(19 MHz)为自身待发送的数据信号,低频部分(5 MHz)为来自二次侧信号线圈的数据信号。从时间64.0～ 64.5 μs,Ua包含高频信号和低频信号,即此时一次侧信号线圈在发送信号的同时,也接收到来自二次侧的信号。从时间64.5 ～ 65.0 μs,Ua只包含了低频信号,即此时一次侧信号线圈上只接收到来自二次侧信号。从时间65.0～65.5 μs,Ua只包含高频信号,即此时一次侧信号线圈只在发送信号而没有接收信号。

图8 一次侧信号线圈电压Ua

二次侧信号线圈电压Ub如图9所示。由图9可见,二次侧信号线圈的信号Ub主要由两部分组成,其中低频部分(5 MHz)为自身待发送的信号,高频部分(19 MHz)为来自一次侧的数据信号。从时间64.0～64.5 μs,Ub包含高频信号和低频信号,即此时二次侧信号线圈既发送信号,也同时接收信号。从时间64.5～65.0 μs,Ub只包含低频信号,即此时一次侧信号线圈只发送信号而没有收到信号。从时间65.0～65.5 μs,Ub只包含高频信号,即此时二次侧信号线圈只接收到信号而没有发送信号。

图9 二次侧信号线圈电压Ub

以表2参数搭建实验平台。实验平台如图10所示。

图10 实验平台

测量能量信号并行传输时的波形数据,驱动波形与信号线圈上的电压信号如图11所示。其中,通道1(C1)为全桥逆变器的驱动电压信号;通道2(C2)和通道3(C3)分别为一次侧信号线圈的两个D形线圈上的电压信号;通道4(C4)为一次侧谐振补偿网络的输入电流信号波形;“通道M”为使用示波器内置数学运算计算出通道2、通道3的差模信号,即信号线圈的端口电压信号。对比图11(a)与图11(b),从通道2和通道3以及“通道M”的数据可以看出,在数据信号传输的过程中,信号线圈上耦合了高频的信号波形,该信号幅值约为4 V。从通道1、通道4的波形可以看出,通信信号没有对开关管的驱动造成影响,也不会对谐振网络的工作造成任何影响。在一次侧直流母线电压110 V时,信号传输速率达119 200 bps,系统传输效率达到90%。

图11 驱动波形与信号线圈上的电压信号

利用示波器测量一次侧信号线圈的端口电压,进行傅里叶(FFT)分析。信号线圈端口电压FFT如图12所示。

图12中横轴为信号频率,间隔为5 MHz/div,纵轴为幅值,间隔为20 dB/div。由图12可见,信号线圈上有一定的高频白噪声信号,其范围在30～50 MHz,其幅值与能量传输大小没有关系。由图12(b)可见,能量干扰在低频段(<2 MHz)是比较大的。信号载波的频率远高于能量干扰的频率,因此彼此之间相互影响较小,证实了本文设计的能量和信号并行传输的可行性。

图12 信号线圈端口电压FFT

3 结 语

随着基于MC-WPT技术的无线电能传输技术得到越来越广泛的研究和应用,在许多场合下实现一次侧、二次侧的信息交互正变得越发的重要。本文围绕MC-WPT技术,基于平面耦合机构的磁场分布特性,设计了一种分离回路的无线电能和信号并行传输方法,基于理论和仿真分析了该方法的可行性,并搭建实验测试系统,验证了设计的正确性和合理性。