ICPT系统中信号反向传输技术机理研究

刘 洋，王智慧，唐春森，孙 跃，伏思庆

(重庆大学自动化学院，重庆400040)

ICPT系统中信号反向传输技术机理研究

刘 洋，王智慧，唐春森，孙 跃，伏思庆

(重庆大学自动化学院，重庆400040)

针对感应耦合式电能传输(ICPT)系统中的信号反向(即从系统的副边向原边传输信号)传输问题，提出一种基于反射阻抗调制的信号反向传输方法。该方法根据被传输信号调节副边谐振补偿电容的容值进行信号调制，在原边检测电流包络形状特征，进行信号复原。文章分析了副边对原边的反射阻抗对原边电流的影响，并用实验验证了方法的可行性。

ICPT;反射阻抗;反向信号传输

1 引言

感应耦合电能传输技术是一种基于电磁耦合的电能传输新技术。它解决了移动设备的无线供电问题，是一种安全、可靠、灵活的电能接入新技术，在医学生物体供电、轨道交通、家庭和办公桌面用电、移动设备和旋转设备供电等方面有广泛的应用［1］。

然而在实际中，不仅需要电能的传输，而且还要利用这种电能传输通道进行通信，比如传递控制指令、状态反馈信息等。在现有的文献中，主要提到了以下几种ICPT系统中的信号传输方法:方法一［1］:在主电路上增设开关器件，通过改变逆变器电能流的幅值传输数据，该方法中的逆变器只能工作在小功率的情况下，且实现的是信号从ICPT系统原边向副边的传输。方法二［2］:根据不同数字信号改变逆变器开关管频率，通过检测副边能量幅值特征解调信号。方法三在能量传输电磁耦合机构中增设一对单独的信号传输线圈，能量传输和信号传输不共用一个通道，该方法中需要额外增加一对信号传输线圈，增加了系统设计的复杂度。同时，信号的传输容易受到能量通道的高频电磁干扰，影响准确性。

以往的研究主要集中在能量和信号分离传输或者是共用传输通道但信号只能从 ICPT系统原边向副边传输的研究。本文针对ICPT系统中的信号反向传输问题，提出一种借用ICPT系统能量通道，基于副边反射阻抗调制的信号反向传输方法，从机理上研究了信号的反向传输问题。

2 传输原理及系统结构

2.1 信号调制原理分析

如图1所示，ICPT系统由原边初级回路和副边次级回路两部分组成。初级回路通过逆变器产生高频交变电流，并通过激励线圈将电能以高频磁场的形式发送出去。次级回路拾取线圈拾取电能，经过谐振补偿整流环节后给负载供电。系统利用电磁感应原理实现了电能的无线传输。

图1 ICPT系统原理结构图Fig．1 Diagram of inductively coupled power transmission system

可知，副边线圈在拾取电能的同时，由于副边回路电流的作用，也会以电磁感应的形式在原边线圈上产生感应电压，此感应电压与原副边互感M、副边电流I2相关，与原边谐振网络输入电压方向相反，如图2所示。对原副边回路列写回路电压方程:

图2 ICPT系统原副边等效电路图Fig．2 Equivalent circuit of ICPT

其中，Z11为初级回路自阻抗，Z11=R11+jX11;Z22为次级回路自阻抗，Z22=R22+jX22

解得:

其中，定义Zr=(ωM)2/Z22，Zr为次级回路对初级回路的反射阻抗。

这说明副边电流对原边电路的影响可以用一个等效电阻(副边对原边的感应电压与原边电流的比值)来代替［3］，系统简化的等效电路如图3所示。

图3 ICPT系统原副边等效电路图Fig．3 Equivalent circuit of ICPT

如图3所示，列出初级回路总阻抗为:

其中，ω是系统角频率。这里，将次级线圈L2看作是一个与jωL2相关的受控电压源V2，次级回路阻抗为Z2:

Zr是副边拾取线圈到原边的等效反射阻抗，它是原边初级回路阻抗的一部分。

初级回路的总阻抗为:

则初级回路总电流

可以看出，在原副边谐振网络参数一定的情况下，改变副边补偿电容C2的容值，副边对原边的反射阻抗将发生改变，进而原边电流幅值受到影响。

根据本文表1所列参数，在Matlab中绘制出副边电容改变量对原边电流的变化曲线如图4所示。

图4 副边补偿电容增量对原边电流影响曲线Fig．4 Relationship between compensating capacitance increment and primary current

图4所示横坐标表示副边电容的增减量，其中横坐标为0处表示系统工作在最佳谐振状态时的补偿电容容值。在此容值基础上，当其增大或者减小时，副边回路阻抗将发生变化，进而副边对原边的反射阻抗将改变，从而原边回路总阻抗发生改变，原边电流幅值也将发生改变。

因此，可根据不同数字信号“1”或“0”来调节副边谐振补偿电容容值大小，再检测原边电流幅值的包络特征解调信号，实现信号从副边向原边传输。

2.2 信号调制结构

依据上述原理，本文在传统的ICPT系统的副边和原边分别增加了信号的调制和解调机构。

如图5所示，副边信号调制部分主要由双向开关和调制电容C3组成。双向开关与调制电容C3串联后再并入副边谐振补偿环节。双向开关由两个IGBT的E极反向串接组成，CE两端并有续流二极管，以阻挡反向电压，组成交流通路。G极连接在一起，由共同的数字信号加IGBT驱动电路驱动。

图5 信号反向传输系统原理框图Fig．5 Diagram of signal reverse transmission system

两个IGBT依据不同的数字信号同开同关，组成交流通路。依据前述原理，在传送数字信号“1”时，开关管关闭，系统按照正常谐振状态工作，原边产生峰值为I1的电流;当传送数字信号“0”时，两个开关管导通，电容C3并入谐振补偿环节，此时补偿电容容值为C3+C2，双向开关两端电流流向为V1→D2或V2→D1，副边对原边的反射阻抗发生改变，原边回路总阻抗发生改变，产生峰值为 I0的电流。合理调整电容C3的容值，可以改变I0与I1的比值，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即为传输的数字信号。

2.3 信号特征提取与解调

数据传输时，原边电流会根据数字信号高低电平的不同产生深浅不同的包络。因此，可以采用包络检测的方法实现数据解调［2］，如图6所示。

包络检波是指从调幅波的包络中提取基带信号的过程，其作用是要取出调幅波的包络线，以实现解调的目的。通常使用二极管检波电路。图7表示出了这种二极管包络检波的原理。

两路包络检波电路均由二极管D、电容C和电阻R组成，利用二极管单向导电和RC充放电而工作的。由于解调电路中是用二极管来检波的，所以应该考虑到其工作频率是否可以承受所要检波的载波频率。由于硅管的最高工作频率为3kHz左右，不适于检波，多用在整流电路中，所以设计选用锗二极管2AP1-7进行检波，主要用在150MHz以下的电子设备中进行检波和小电流整流［4］。

图6 原边信号特征提取电路Fig．6 Diagram of signal extraction and recovery

图7 包络检波器Fig．7 Envelope detector

包络检波器的负载R越大，检波效率就越高。但如果将R取得过大，接近于二极管的反向阻抗rb，则正向电流和反向电流的差变小，整流器的效率会降低。所以就要在满足rbR的情况下，负载阻尼R越大越好。其中，rb为二极管的反向阻尼，其值一般为几百千欧姆，最后确定R值约为10kΩ左右。

在图7中，以其中一路包络检波器为例，二极管包络检波原理为:二极管的导通与否决定于输入电压Uin和输出电压Uo或Udc(即电容C1上的电压)之差(Uin－Uo)。包络检测器1中，在输入电压正半周(Uin－Uo)＞0期间二极管导通，流过二极管的高频电流对C1充电，充电时间常数为 RDC1(RD很小，为二极管导通时的内阻)很小，Uo在很短时间内就接近输入电压最大值;在(Uin－Uo)＜0期间，二极管截止，电容C1通过 R1放电。为了不失真地从调谐电路输出的调幅波中检出所需频率信号，必须妥善地选择时间常数RC。在包络检波器1中，放电时间常数R1C1应满足:

其中，Tmax为调制信号的最高频率周期;Tc为发送的载波频率周期。此时，放电速度会很慢，这样电容不断地循环反复充放电，输出电压 Uo在幅值上与Uin接近，能反映Uin包络的锯齿波，如图8(a)所示。

包络检测器2中，电路结构与包络检测器1相同，只是参数不同，合理设计 RC参数，使其满足R3C3≥Tc，输出电压基本不变，可认为是直流，如图8(b)所示。再经过电阻 R5、R6分压，将分压后的Udc作为判决电压，二者接入比较器的同相和反相输入端，比较器输出信号，实现信号的提取与复原。图7中的R2C2和 R4C4组成低通滤波器，滤除高频电能。

图8 两路包络检波输出示意图Fig．8 Output of two envelope detectors

3 实验结果分析

为了验证该方法的可行性，搭建了实验电路，电路参数如表1所示。

图9为实测得到的波形图，通道1为从副边往原边传输的频率为500Hz的方波信号波形，通道2为原边电流经电阻转换后的电压波形，数据“1”和“0”直接表现为电流包络的深浅变化。

图9 信号传输时，原边电流波形及信号波形Fig．9 Primary current and signal waveforms

图10为两路包络检波器输出的波形，其中通道3为检波器1输出的包络特征，它反映了信号的特征，此为比较器的输入电压。通道4为检波器4输出的直流电压，它能动态地跟随包络特征电压的大小，以此作为比较器的基准电压，能准确解调信号。

图10 包络检测器1、2输出波形Fig．10 Output waveforms of two envelope detectors

包络检波器输出经过比较器以后，还原出信号，如图11所示，通道1即为最终还原出的信号。

图11 比较器输出波形(即还原的信号)Fig．11 Output waveforms of comparator

4 结论

本文中针对感应耦合电能传输(ICPT)系统中的信号反向传输问题，提出一种新颖的基于副边反射阻抗调制的信号传输方法，通过调节副边补偿电容的容值，在原边形成含有数据特征的电流包络，检测电流包络状特征并进行信号复原。搭建了实验平台，验证了本方法的可行性，为ICPT系统中信号反向传输提供了全新的思路，具有很好的应用价值。

［1］周锦锋，孙跃，苏玉刚 (Zhou Jinfeng，Sun Yue，Su Yugang)．感应耦合电能与信号同步传输技术研究(Synchronous transmission of inductively coupled power and signal)［J］．重庆工学院学报 (J Chongqing Inst．Tech．)，2009，(4):12-17．

［2］孙跃，王琛琛，唐春森，等 (SunYue，Wang Chenchen，Tang Chunsen，et al．)．CPT系统能量和信号混合传输技术 (Study on inductively coupled synchronous transmission of power and signal) ［J］．电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2010，29(4):10-13．

［3］张福玲 (Zhang Fuling)．耦合回路中的反射阻抗(Reflected impedance in coupled circuit) ［J］．曲阜师院学报自然科学版 (Natural Science Edition Journal of Qufu Teachers College)，1985，(3):78-81．

［4］郭颖娜 (Guo Yingna)．一种 FSK信号调制解调电路的设计 (A method of design for FSK modem)［J］．现代电子技术 (Modern Electronic Technology)，2006，(1):138-139．

Study on signal reverse transmission in ICPT system

LIU Yang，WANG Zhi-hui，TANG Chun-sen，SUN Yue，FU Si-qing
(College of Automation，Chongqing University，Chongqing 400040，China)

According to the problem of digital signal reverse transmission in the Inductively Coupled Power Transfer (ICPT)system，a new method for signal reverse transmission based on reflected impedance modulation is proposed．This method is implemented to regulate the capacity value of the secondary loop according to the signal transmitted，then monitor the current wave of the primary circuit to demodulate signal．In this paper，how the reflected impedance influence the current is analyzed and approved by the experimental verification．

ICPT;reflected impedance;signal reverse transmission

TM 133

A

1003-3076(2014)04-0006-05

2013-01-23

国家自然科学基金资助项目(50777071)

刘 洋(1987-)，男，四川籍，硕士，研究方向为智能电力电子装置;孙 跃(1960-)，男，浙江籍，教授，博士，研究方向为电力电子与控制技术。．