基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法研究

摘 "要：针对无线电能传输系统中能量发送端与接收端进行全双工通信的需求，提出一种基于部分能量耦合线圈的无线能量与信号同步传输方法。该方法利用能量耦合线圈的内侧和外侧部分线圈分别作为信号正反向传输耦合机构，并在信号接收回路中采用LC并联支路抑制同侧信号载波的串扰。通过构建系统模型，分析能量传输与信号传输的增益以及系统传输干扰，得到系统参数对传输特性影响规律。为提高信号传输增益以及减小信号正反向传输之间的串扰，优化了耦合机构线圈布置方案。最后，搭建了传输功率为20W的无线能量与信号全双工同步传输平台，实验结果表明，在电能传输不受影响的同时，实现了正向传输速率200kbps、反向传输速率400kbps的信号全双工同步传输，验证了该方法的可靠性和有效性。

关键词：无线电能传输；双边LCC补偿；共享通道传输；全双工通信；载波调制；ASK

DOI：10.15938/j.emc

中图分类号：TM724 " " " " " " 文献标志码：A " " " " "文章编号：1007 -449X（2024）07-0000-00（编辑填写）

Research on simultaneous wireless power and data transfer method based on partial power coupling coil

JING Yongzhi1，2，3， QIAO Ke1，2， FU Kang1，3， YANG Liangtao1，3，

LIU Qinyu1，2， LIU Guoqing1，2，3

（1.Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle， Ministry of Education， Chengdu 611756， China;

2.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China;

3.TangShan Institute， Southwest Jiaotong University， Tangshan 063000，China）

Abstract： Aiming at the need of full-duplex communication between power transmitting side and receiving side of the wireless power transfer system， a simultaneous wireless power and data transfer method based on partial power coupling coil is proposed. In this method， the inner and outer part coils of power coupling coil are used as data forward and reverse transfer coupling mechanism respectively， and the LC parallel circuit in data receiving circuit is used to suppress same-side data carrier crosstalk. By constructing a system model， the characteristics of power transfer and data transfer as well as system transfer interference are analyzed， and the influence law of system parameters on transmission characteristics is obtained. In order to improve the data transfer gain and reduce the crosstalk between forward and reverse data transfer， the layout of the coupling mechanism is optimized. Finally， the simultaneous wireless power and full-duplex data transfer platform with transfer power of 20W is built， the experimental results show that the data full-duplex simultaneous transfer of 200kbps forward data rate and 400kbps reverse data rate is achieved while the power transfer is not affected. These results verify the reliability and effectiveness of the proposed method.

Keywords： wireless power transfer; double-sided LCC compensation; shared channel transmission; full-duplex communication; carrier modulation ; amplitude shift keying

0 引 "言

无线电能传输（wireless power transfer ， WPT）作为一种新型输电方式，可以实现无电气接触的电能传输，相比于传统的输电方式更加安全可靠，被广泛应用在电动汽车、植入式医疗、智能家居等领域[1 - 5]。在实际应用场合中，往往需要在能量发送端和接收端之间进行信号的实时传输，如为实现系统闭环控制或最大效率跟踪，需要将副边电压和电流等参数传输到原边控制器，或系统需要从原边发送控制指令给副边以改变副边运行状态[6 - 8]。

传统的WPT系统采用分离通道信号传输技术，通过增加额外的通信模块如蓝牙、WiFi或者信号传输线圈等，使信号传输通道与能量传输通道在空间上相互隔离，这种方法使系统结构更加复杂，并增加了系统成本和体积，且信号传输延迟相对较高[9]。介于分离通道传输的上述缺点，采用共享通道的无线能量与信号同步传输（simultaneous wireless power and data transfer ， SWPDT）技术近年来受到广泛关注[10 - 11]。

SWPDT系统是基于WPT系统能量传输通道同时进行信号传输的系统。SWPDT系统信号传输主要分为能量调制法与载波调制法，能量调制法通过调制能量载波，将信号加载在能量载波上[12 - 13]。但这种方法的信号传输速率受到能量载波频率的限制，传输速率较低，且由于改变了能量载波的特征，会降低系统电能传输效率。载波调制法通过调制信号载波，使其包含待传信号的特征信息，再将其加载到能量载波上进行传输。与能量调制法相比，载波调制法中信号传输速率不受能量载波频率限制，传输速率较高，对能量传输的干扰更小，因此载波调制法成为主要研究方向[14]。

目前，载波调制法主要采用串联、并联注入式和部分线圈式，实现信号调制波的注入与拾取。文献[15]将信号调制波利用信号耦合变压器与能量耦合线圈串联的方式注入SWPDT系统。串联式对系统拓扑结构改动小，但信号传输增益较低，且提高能量传输功率会增大信号耦合变压器承受的电压应力。文献[16]采用并联方式实现调制波的注入与拾取，可以提高信号传输增益，但能量与信号的干扰严重。可增加阻波网络减小干扰，但增大了系统参数复杂度。文献[17]采用部分线圈式，将能量耦合线圈的一部分线圈作为信号耦合线圈完成能量与信号的同步传输，可以减小能量传输对信号传输的干扰。

目前，SWPDT系统全双工通信的研究主要针对实现途径。文献[18]基于部分能量耦合线圈实现信号全双工同步传输，但正反向信号通道利用同一组部分线圈直接耦合，需设计相应的全双工器以抑制信号之间较大的串扰，参数配置略复杂。文献[19]采用双边LCCL补偿拓扑和双陷波滤波器，在400W输出功率下实现了正向100kbps、反向200kbps的全双工同步传输，但这种方法需要更多的无源元件。文献[20]采用双边LCCL补偿拓扑和双谐振结构，提高了系统信噪比，但在能量传输通道中增加了两个阻塞电感，并且信号发送与接收回路参数相互耦合，增大了参数设计复杂度。文献[21]设计了一种用于自主水下航行器的SWPDT系统，采用频移键控调制（frequency shift keying ， FSK），信号最大传输速率为700kbps。

本文提出一种基于部分能量耦合线圈的能量与信号全双工同步传输方法。利用整体能量耦合线圈实现能量传输，将能量耦合线圈的内侧部分线圈和外侧部分线圈分别作为信号正反向传输耦合机构，实现能量与信号的全双工同步传输。正反向信号采用两组不同的部分线圈作为耦合机构，可以减小能量干扰以及信号传输之间的串扰，提升信号传输稳定性。能量传输采用双边LCC补偿结构使输出端负载恒流，对能量传输与信号传输特性进行了分析，并优化了耦合机构线圈布置方案。同时对能量与信号之间的干扰以及信号正反向传输之间的串扰进行了分析，验证了此方法的可行性。

1 系统结构

基于部分能量耦合线圈的SWPDT系统如图1所示。该电路主要由能量发送与接收部分、正反向信号发送与接收部分和耦合机构组成。

能量耦合线圈LP、LS整体作为能量传输的耦合机构，取内侧部分线圈Lm1、Lm2作为正向信号传输耦合机构，外侧部分线圈Lm3、Lm4作为反向信号传输耦合机构实现能量与信号同步传输。为减小能量和信号之间的干扰，设置正反向载波信号源Usig1、Usig2频率f1、f2为兆赫兹级，而能量载波频率fp为千赫兹级，两者相差十倍以上。为减小信号传输之间的串扰，内外侧信号传输线圈之间应保持足够的距离，且信号源Usig1、Usig2频率f1、f2选取为不同频率，并具有一定频率差。

在能量传输回路中，采用双边LCC补偿拓扑，原边和副边回路的串联电感Lf1、Lf2和并联电容Cf1、Cf2可以滤除由原边逆变器和副边整流器产生的大部分高次谐波，减少数据传输受到的谐波干扰。Edc为输入直流电压源，Q1～Q4为全桥逆变器的四个开关管，LP、C1、Cf1、Lf1构成原边LCC谐振回路，LS、C2、Cf2、Lf2构成副边LCC谐振回路，D1～D4为整流器的四个二极管，RL为负载。

在信号传输回路中，将携带数字信号的正反向高频载波信号Usig1和Usig2，由发送回路通过耦合机构（Lm1、Lm2）和（Lm3、Lm4）传输到接收回路，接收回路采样电阻Rd2、Rd4接收到各自对应的高频载波信号后，通过信号解调电路即可解调出发送的数字信号。

为进一步减小正反向信号传输之间的串扰，在正向信号接收回路中加入谐振频率为f2的并联支路（LS2、CS2），对进入正向信号接收回路的频率为f2的反向信号有良好的衰减作用。同理，在反向信号接收回路中加入谐振频率为f1的并联支路（LS4、CS4），以减小频率为f1的正向信号对反向信号传输的串扰。

2能量传输电路分析

根据电路叠加定理，分析能量传输电路时，将正反向载波信号源Usig1、Usig2视为短路[13]。能量传输采用双边LCC补偿拓扑，其具有良好的选频特性，可以滤除直流全桥逆变产生的高次谐波，因此把直流电源Edc和逆变电路等效为基波角频率为ωp的理想交流源Uac。对二极管整流电路和负载RL也可进行等效处理，等效负载Req为：

5耦合机构

耦合机构线圈布置方案如图8所示，能量耦合利用发送线圈LP和接收线圈LS完成能量的无线传输，根据能量传输需求确定线圈总匝数和线圈间距D。信号耦合采用内侧Lm1、Lm2和外侧Lm3、Lm4两对线圈分别完成信号发送与接收。信号传输特性与信号耦合线圈的自感以及它们的互感有关，它们由线圈布置方案和各线圈的匝数决定，而各线圈匝数的选取主要考虑信号传输增益以及信号正反向传输之间的串扰。

正反向信号载波频率f1、f2分别为1MHz和2MHz，由公式（15）、（17）可得信号正反向传输增益G1、G2与互感值M12、M34的关系如图9所示。

由图9可知，信号传输增益随着互感值的增加先增大后减小，信号正反向传输增益G1、G2分别在互感值为1.62μH、3.57μH处达到最大值，在选取信号耦合线圈匝数时，应保证互感M12、M34在相应最大值附近。

正反向信号采用两组不同的部分线圈作为耦合机构，避免了直接耦合，信号传输之间的串扰与各线圈之间的交叉耦合互感有关。为抑制串扰，应减小交叉耦合互感，可增大信号正反向传输耦合线圈之间的间距d，内侧线圈从最内侧开始向外选取，外侧线圈从最外侧开始向内选取。

能量耦合线圈内径为1cm、外径为12.4cm，匝数44匝。内侧线圈自感Lm1、Lm2及互感M12与其匝数N1的关系如表1所示，匝数为14和15时，互感值M12与图9中信号正向传输时最大传输增益所对应的互感值较为接近。

外侧线圈自感Lm3、Lm4及互感M34与其匝数N2的关系如表2所示，匝数为5和6时，互感值M34与图9中信号反向传输时最大传输增益所对应的互感值较为接近。

正反向载波信号源电压到串扰输出电压的传输增益GS1、GS2与匝数N1、N2的关系如表3所示：

为减小信号传输之间的串扰，应尽量增大间距d，由表3可知，N1、N2分别为14匝和5匝时，串扰最小。综上所述，为提高信号传输增益以及减小信号正反向传输之间的串扰，内外侧线圈分别选取为14匝和5匝。确定耦合机构线圈布置方案后，可对系统的传输干扰进行定量分析。

分析能量对信号传输的干扰时，由式（16）可得，在fp处GP1、GP2的增益分别为-17.9dB、-15.54dB。GR1、GR2的波特图如图10所示，在能量载波频率fp处，GR1、GR2的增益分别为-28dB、-25dB。则能量载波基波电压Uac到采样电阻电压URd2、URd4的增益GPR1、GPR2分别为-45.9dB、-40.54dB。

可知，当信号传输采用部分线圈作为耦合机构时，接收线圈Lm2、Lm4上的能量干扰电压UP1、UP2只占能量耦合线圈LS、LP电压ULS、ULP的1/n1与1/n2，干扰电压被大幅衰减。再通过信号接收回路对于能量载波良好的滤波作用，抑制了能量干扰电压增益GPR1、GPR2，提高了系统信噪比，因此能量传输对信号传输的干扰较小，可以忽略。

分析信号传输之间的串扰时，kij（i=1，2，3，4， j=1，2，3，4，i≠j）表示线圈Lmi和Lmj之间的耦合系数，根据设计的对称性，k14=k23=0.089，k13=k24=0.080。正反向信号采用两组部分线圈作为传输通道，降低了正向传输与反向传输耦合机构之间的耦合系数，减小了交叉耦合互感，能有效抑制信号之间的串扰。

GS1、GS2的波特图如图11所示，GS1在正向信号传输频率f1处增益为-43.3dB，说明反向传输回路采样电阻Rd4上接收到的正向信号载波被大幅衰减，同理GS2在反向信号传输频率f2处增益为-58.2dB，信号传输之间串扰很小，可以忽略。

6实验结果与验证

为验证理论分析与设计的正确性，搭建了SWPDT系统的原理验证实验平台，如图12所示。平台主要由能量发送和接收模块、正反向信号发送与接收模块、耦合线圈、电源和负载构成。能量发送端的逆变电路由DSP生成的PWM信号进行控制。系统参数如表4所示，能量耦合线圈外径13.8cm，内径1cm，传输距离1cm，取内侧14匝作为信号正向耦合线圈Lm1、Lm2，如图12（b）耦合机构左图线圈内侧部分，取外侧5匝作为信号反向耦合线圈Lm3、Lm4，如图12（b）耦合机构左图线圈外侧部分。

正反向高频载波信号频率分别为1MHz和2MHz，由原副边的半桥逆变电路产生。采用ASK数据调制方式，待传数字信号为“1”时，将相应载波注入信号回路，待传数字信号为“0”时，不注入载波。采用非相干解调，采样电阻的信号经二阶有源带通滤波器后由包络检波、放大和滞回比较后即可得到发送端传输的原始数字信号。

正反向信号传输速率分别设定为200kbps和 400kbps。正向传输一帧数据为：一位起始位“0”，8位数据位“11101110”，一位停止位“1”。反向传输一帧数据为：一位起始位“0”，8位数据位“11111010”，一位停止位“1”。

无能量传输时正反向传输信号接收线圈Lm2、Lm4电压Um-2、Um-4和采样电阻Rd2、Rd4电压URd2、URd4波形如图13所示，接收线圈Lm2、Lm4上同时存在正反向信号载波，但在采样电阻Rd2、Rd4上只接收到相应的正向或反向信号载波。表明信号接收回路的并联LC电路对同侧的信号载波有良好的滤波作用，可以消除信号之间的串扰。

能量与信号同步传输时，能量耦合线圈两端电压ULP、ULS以及负载输出电压URL如图14所示，能量载波频率远低于信号载波频率，且加入了并联LC回路，对进入能量传输回路的信号载波具有良好的滤波作用，因此信号载波对于能量载波几乎没有影响，负载功率计算约20W。

为验证系统的恒流输出特性，不同负载RL下输出电流Iout和效率η的曲线如图15所示。在额定功率20W附近调节负载电阻，功率从15.8W调至25.6W时，输出电流在额定电流的-0.03A～+0.06A内变化。由于系统功率等级较低，整流器和耦合线圈内阻损耗占比较大，系统效率相对较低，当输出功率为20W时，效率约为81%。

能量与信号同步传输的解调过程波形如图16所示，URd2、URd4分别为正反向传输采样电阻Rd2、Rd4电压，U1-1、U2-1分别为正反向传输二阶有源带通滤波器输出电压，U1-2、U2-2分别为包络检测输出电压，U1、U2分别为滞回比较得到的信号。可知经解调电路能够准确解调出传输的数字信号。

为了对比分析有无能量传输时信号传输特征，有无能量传输时信号采样电阻电压与解调波形如图17所示。URd2、URd4分别为正反向传输采样电阻Rd2、Rd4电压，U1、U2分别为滞回比较得到的正反向传输信号。从波形来看，能量与信号同步传输时，信号传输基本不受能量传输的影响。

本文与典型全双工方法对应文献的相应性能对比如表5所示。载波调制法信号传输的传输速率与载波频率有关，增加载波频率可以提高信号传输速率，但更高的载波频率对于器件的性能要求更高，因此在相同载波频率下实现高信号传输速率更具有实用价值。本文采用能量耦合机构的部分线圈用于信号传输，正反向信号传输时载波频率与信号传输速率的比值均可低至5，即在相同载波频率下实现更高的信号传输速率。

与文献[21]相比，本文调制方式采用ASK，比FSK更容易实现调制与解调过程。与文献[20]相比，本文不需要在能量传输通道中加入阻塞电感，且数据发送电路和接收电路是独立设计的，参数配置更简单。与文献[19]相比，本文不需要在能量传输通道中加入阻塞电感，且在信号传输通道中使用更少的无源元件实现全双工通信。与部分线圈式文献[18]相比，本文不需要设计相应的全双工器，无源元件更少，系统拓扑结构更简洁。

7结 "论

本文提出一种基于部分能量耦合线圈的能量与信号全双工同步传输方法。能量传输采用双边LCC补偿拓扑抑制逆变器产生的高次谐波，信号传输利用整体能量耦合线圈的部分线圈作为耦合机构，并在信号接收回路中采用LC并联支路抑制同侧信号载波串扰，在保证能量稳定传输基础上，实现了信号的高速全双工传输。通过对信号传输特性以及系统传输干扰的分析，优化了耦合机构线圈布置方案。最后搭建了实验平台，在输出功率为20W时，实现了正向传输200kbps、反向传输400kbps的SWPDT系统信号全双工传输，验证了方案的可行性。

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（编辑：刘素菊）