基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术

华 超 周 岩 胡 震 朱建鑫

基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术

华 超 周 岩 胡 震 朱建鑫

（南京邮电大学自动化学院、人工智能学院 南京 210023）

该文提出一种基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术。通过控制全桥逆变器的频率和移相角，将工作状态分为两种：当系统仅需要无线供电时，移相全桥逆变器的工作频率等于系统一次和二次线圈谐振频率p，实现无线电能的高效率传输；当系统需要同时进行无线供电与信号传输时，移相全桥逆变器控制频率采用p/3作为低频通信频率，通过调制移相角实现信号传输，利用其3次谐波频率p进行高效率无线电能传输。理论上，通信时所选择的工作相位点仅影响基波频率点幅值分量以实现解码，而对实现无线供电谐波频率点幅值没有影响。该技术采用二次侧双谐振回路构造能量接收电路和信号解调电路，可在同一套硬件装置上实现信道复用，实现低频通信信号的传输和无线电能的高效率传输，在海洋等对通信频率敏感的介质条件下具有明显优势。

无线供电与信息协同传输 移相控制 频率控制 全桥逆变器

0 引言

为了解决无线设备的供电与通信问题，近年来无线电能与信号同步传输技术发展迅速[1-2]，其非接触式的供电方式以及同步通信功能大大增强了用电设备的续航和信息传输能力，在生物医学、海洋等特殊场合有着广阔的应用场景。

基于磁耦合谐振式无线电能与信息同步传输是当下无线供电技术研究领域的热点之一[3-4]，根据无线供电和无线通信信道的共享方式可分为两大类：信道分离式[5-7]和信道复用式[8-10]。信道分离式方案需要在一次、二次线圈分别构造无线供电线圈和通信线圈，文献[5]中提出一种特殊的十字形磁耦合机构来完成电能与信息的同步传输，但显著增加了系统的复杂性。文献[7-8]中提出一种基于三线圈结构的近场耦合无线携能通信的改进方案，通过在二次侧接收线圈附近布置一个信号接收线圈实现能量传输通道与信息传输通道的分离。但其利用一次侧谐波作为通信信源，不利于系统电磁干扰（Electro- magnetic Interference, EMI）性能的提升。

信道复用式的无线电能与信息协同传输技术是在一个共享通道中实现电能与信息的传输，作为传输介质的电磁场本质上既可以作为能量载体也可以作为信息载体[11-13]，所以其核心难点在于如何实现无线电能与信号之间的解耦或弱耦合传输。文献[12-13]将一次、二次线圈同时作为电能传输通道与信息传输通道，文献[12]中直接用电能传输波形作为通信载波，将信号直接调制加载于电能波形上，该方案电路结构简单，但数据传输速率对电能传输效率影响较大；文献[13]中提出一种基于信源重构的单通道式无线电能与信息协调传输技术，通过在二次线圈中捕捉频率信息进行信源重构实现电能传输通道与信息传输通道的复用。总体而言，采用复用信道的方式简化了电路结构，避免了无线供电线圈与通信线圈之间的电磁干扰，且更具有优势。另外，在海洋环境等介质电导率较高的场合，海水对高频通信电信号具有较强的衰减特性[14]，还需要进一步研究合理的无线供电与通信复用方案。

本文提出一种基于相位调制的无线供电与信息协同传输技术，该技术通过降低移相全桥逆变器的控制频率在一次线圈上产生用于通信的低频载波[15]。通过对逆变器进行相位控制改变系统电流中基波与谐波的含量，利用二次侧的选频网络将基波与谐波分离[16]，从而实现稳定的电能与信息传输。与其他同步传输方案相比，本文所提方法可在低频通信的同时实现无线供电的高效率传输，特别适用于在海洋等高电导率介质场合应用。

1 系统架构及其原理

1.1 电路方案

本文在二次侧分别构造无线供电和无线信息传输LC谐振回路如图1所示，系统电路结构如图1a所示。通过相位控制对通信载波进行幅值调制，从而实现无线电能与信息的同步传输。

图1 基于相位控制的无线电能与信息同步传输系统

基本拓扑结构主要有相位调制电路、逆变电路、发射电路、接收电路以及包络检波解调回路等部分组成。in为直流电压，主电路由移相全桥逆变器构成，p为逆变器输出电压。发射电路由自感p、内阻p的发射线圈和谐振电容p组成。接收电路包含了两条不同的频率选择电路，实现基波与3次谐波的分离。其中自感为n、内阻为n的接收线圈和谐振电容n组成电能接收通道；自感为s、内阻为s的信号检测线圈和谐振电容s组成信号接收通道。信号解调电路由针对幅值变化的包络检波电路和判决电路组成。图1b为移相全桥逆变器的驱动信号和其输出的电压波形。其中Q2与Q1互补，Q3与Q4互补。

本文将逆变器的控制频率分别设置为传能频率和通信频率，且传能频率等于谐振线圈谐振频率，通信频率等于谐振线圈谐振频率的1/3。

设r为移相全桥逆变器的工作频率，r为角频率，为了实现高效率的无线电能传输，发射线圈和接收线圈谐振频率均为p，p为发射线圈和接收线圈谐振角频率。信号接收通道的谐振频率sp/3，s为信号接收通道谐振角频率，具体关系为

当逆变器工作频率fr=fp时，系统处于全谐振状态，系统进行高效率的无线电能传输；当逆变器工作频率fr=fp/3时，通过相位控制调制基波分量进行通信，同时利用一次侧3次谐波进行高效率的电能传输。电能与信息传输通道复用如图2所示。

1.2 控制原理

为简化计算过程，忽略死区对系统的影响，对逆变器的输出电压进行傅里叶分解，得到

式中，pk为逆变器次谐波电压幅值；为逆变器的移相角；为逆变器输入直流电压幅值。

图3为系统等效电路，图中，nk为a、b两点之间的电压，即信号检测回路输入电压，根据等效电路对输出电流次谐波分量进行计算。

根据基尔霍夫定律，图3中电流方程可以表示为

式中，pk和sk分别为主回路等效阻抗和信号检测通道等效阻抗，即

可得一次侧和二次侧各支路电流表达式分别为

二次侧回路的总阻抗表示为

(r)2/则可以表示电路二次侧对一次侧的反射阻抗，所以可以用图4所示的映射阻抗等效电路来表征一次侧和二次侧的关系。

图4 映射阻抗等效电路

Fig.4 Mapping impedance equivalent circuit

输出电压的次谐波分量的有效值为

则输出电流的次谐波分量的有效值为

为了分析改变逆变器的控制频率对一次侧输出电流的影响，令r分别等于150、50、30 kHz，移相角始终保持为0，进行仿真计算，仿真具体参数见表1。

表1 仿真参数

Tab.1 Simulation parameters

逆变器不同控制频率下一次电流各频率分量幅值如图5所示。从图5的仿真结果可以看出，当逆变器的控制频率满足式（9）时，一次电流谐振频率电流幅值有所降低，3次和5次谐波所能传递的功率为原来的1/9和1/25。

可见采用该方法通过降低开关频率，可以用与谐振频率相等的谐波分量进行电能的传输，系统的传输功率受限，但对无线供电的工作效率没有影响。降频产生的基波分量可以用作通信载波进行信息传输。

图5 逆变器不同控制频率下一次电流各频率分量幅值

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

1.3 相位调制策略

当系统需要传输信息时，对通信载波进行相位控制从而实现信息的传递。为了简化分析，本文主要讨论通信频率控制下的基波和3次谐波电流与移相角的关系。选取50 kHz作为系统通信时逆变器的控制频率，定义为各阶次谐波在一次电流中的含有率，其表达式为

根据式（10），图6给出了不同相位下，基波和3次谐波在一次电流中的占有率。可以看出，随着移相角变大，一次电流中基波含有率由小变大后再变小；3次谐波含有率由大变小后再变大。所以合理地选择移相角，可以有效调整一次电流中的电流成分。

为了一般化表示通信频率控制下各谐波分量与相位的关系，引入归一化值G，表达式为

图6 不同相位下各阶次谐波一次电流含有率