磁諧振式能量與信息雙向傳輸技術(shù)研究

王巧鳳，范錦彪，王 燕

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

目前的動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中，越來(lái)越多測(cè)試環(huán)境的操作空間有限，并且要求對(duì)待測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。引入能量無(wú)線傳輸技術(shù)代替原有傳統(tǒng)電池能夠有效減小測(cè)試系統(tǒng)體積，采用信息無(wú)線傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

能量無(wú)線傳輸方式主要包括：電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式和電磁輻射式，采用非接觸方法將電能從電源傳輸?shù)诫娔茇?fù)載[1-2]。由于磁耦合諧振式技術(shù)傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸功率和效率較高，且具有位置自由、可穿透非磁性物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外主要研究的無(wú)線電能傳輸技術(shù)[3]。在能量無(wú)線傳輸技術(shù)中實(shí)現(xiàn)信息傳輸最常用的方法為增加額外的信息傳輸線圈或使用射頻RF（radio frequency）技術(shù)，但是他們都需要增加額外的通信裝置，在操作空間有限的待測(cè)試設(shè)備中難以實(shí)現(xiàn)，并且，由于能量無(wú)線傳輸系統(tǒng)的電磁環(huán)境復(fù)雜，與射頻之間的相互干擾不可避免而且分析困難，同時(shí)射頻信號(hào)在地下傳感器或金屬屏蔽等惡劣的測(cè)試環(huán)境中衰減強(qiáng)烈[4]，因此這些應(yīng)用不利于信號(hào)的傳輸，也缺乏能量無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。將能量與信息雙通道傳輸整合為單通道傳輸，不僅可以消除通信天線的干擾，而且可以保持能量傳輸系統(tǒng)的靈活性。

在利用能量傳輸線圈進(jìn)行信息傳輸?shù)难芯恐?，文獻(xiàn)[5]利用負(fù)載調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低效率的信號(hào)反向傳輸；文獻(xiàn)[6]提出了在負(fù)載變化的情況下對(duì)不同信號(hào)的調(diào)制策略，并對(duì)系統(tǒng)變負(fù)載情況下系統(tǒng)特性進(jìn)行了分析和研究；文獻(xiàn)[7]在能量傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下增加了兩對(duì)信息耦合變壓器，與諧振線圈間接并聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)了信息的傳輸；文獻(xiàn)[8]對(duì)多對(duì)耦合線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出利用阻波電路抑制了電能對(duì)載波信號(hào)的干擾，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又兼顧能量傳輸效率和信息傳輸速率，本文在已有研究的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于磁耦合諧振技術(shù)的能量與信息單通道雙向傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)同一組耦合線圈實(shí)現(xiàn)了能量從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)為負(fù)載供電，信息從二次側(cè)傳輸回一次側(cè)實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且使兩路傳輸頻率都在系統(tǒng)諧振點(diǎn)上，提高系統(tǒng)性能。引入阻波網(wǎng)絡(luò)減少能量傳輸回路與信息傳輸回路的相互干擾。該方案有效地減小了測(cè)試系統(tǒng)體積，完成了對(duì)測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)避免了在能量傳輸系統(tǒng)中增加額外的信息傳輸通道時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)模型

磁耦合諧振式能量傳輸原理是發(fā)射線圈依靠自身的電感電容發(fā)生諧振從而產(chǎn)生特定頻率的共振磁場(chǎng)，具有相同諧振頻率的接收線圈會(huì)產(chǎn)生相同頻率的振蕩磁場(chǎng)，形成磁場(chǎng)共振，基于磁場(chǎng)共振耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞[9]，在其補(bǔ)償系統(tǒng)中有SP、PS、PP和SS型4種，由于SS型系統(tǒng)的電壓增益與諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定[10]，所以在此選擇SS型系統(tǒng)。系統(tǒng)雖然僅有一組耦合線圈但是設(shè)置了2個(gè)諧振頻率點(diǎn)，低頻諧振點(diǎn)將一次側(cè)能量傳輸給二次側(cè)為負(fù)載供電，高頻諧振點(diǎn)將二次側(cè)調(diào)制后的有效信息傳輸給一次側(cè)解調(diào)，從而完成了能量與信息的雙向傳輸。為了減少二次側(cè)負(fù)載對(duì)信息載波能量的消耗影響信息傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)避免兩諧振回路的諧振電容相互影響造成諧振頻率產(chǎn)生波動(dòng)，降低傳輸效率，用電容與電感并聯(lián)組成高頻阻波網(wǎng)絡(luò)[11]，將兩傳輸回路隔離開(kāi)。

圖1為基于磁諧振能量傳輸系統(tǒng)的能量與信號(hào)雙向傳輸技術(shù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，US為直流電源經(jīng)高頻逆變后得到的高頻交變電壓源；RS為電壓源內(nèi)阻；UI為高頻信息載波源；RI為高頻信息載波源內(nèi)阻；L1、L2為一次側(cè)和二次側(cè)的耦合諧振線圈；M為兩線圈的互感系數(shù)；R1、R2為兩個(gè)耦合線圈的電阻；C1、C2為能量耦合諧振的調(diào)諧電容，電容C3與電感L3構(gòu)成一次側(cè)的阻波網(wǎng)絡(luò)，電容C4與電感L4構(gòu)成二次側(cè)的阻波網(wǎng)絡(luò)；C5、C6為信息耦合諧振的調(diào)諧電容；R3為信息解調(diào)電阻；RL為負(fù)載電阻。

2 能量傳輸

在后續(xù)參數(shù)配置中信息傳輸支路的電容與電阻組成高通濾波器，阻止低頻能量傳輸頻率通過(guò)，相當(dāng)于斷路，所以在分析能量傳輸時(shí)將信息傳輸支路忽略。圖1簡(jiǎn)化后的能量傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖中所示電流方向，列KVL方程

式中：ωS為系統(tǒng)能量傳輸諧振頻率；Z1、Z2為系統(tǒng)諧振時(shí)有一次側(cè)、二次側(cè)的等效阻抗，Z1、Z2的虛部為0[12]。 當(dāng) L3=L4、C3=C4、L1=L2時(shí)，有

代入式（1），解得

在仿真中互感系數(shù)M由耦合系數(shù)k確定，即

則系統(tǒng)傳輸功率為

傳輸效率為

當(dāng)系統(tǒng)元件各項(xiàng)參數(shù)均固定時(shí)，兩電感線圈之間的耦合系數(shù)k將決定能量傳輸?shù)男阅?。而傳輸效率是k的單調(diào)函數(shù)，并隨其增加而增大，但傳輸功率隨著耦合系數(shù)k的增加先增加后減小，所以存在一個(gè)最佳值[13]，通過(guò)對(duì)式（6）中的k求導(dǎo)計(jì)算得到耦合系數(shù)k的最佳值為0.83。

3 信息傳輸

3.1 阻波網(wǎng)絡(luò)

阻波網(wǎng)絡(luò)的作用是阻止高頻信息載波通過(guò)能量傳輸回路，該網(wǎng)絡(luò)在信息載波頻率下等效阻抗為

式中：L=L3=L4；C=C3=C4；ωi為信息載波角頻率。為使其阻抗在高頻信息載波頻率下達(dá)到無(wú)窮大，配置電容、電阻關(guān)系為：LC=1/ω2i，則在信息傳輸過(guò)程中阻波網(wǎng)絡(luò)支路可視為斷路，能量傳輸過(guò)程中由于能量傳輸頻率遠(yuǎn)小于信息傳輸頻率，所以該網(wǎng)絡(luò)等效電阻很小，不影響能量傳輸。

3.2 傳輸特性

將阻波網(wǎng)絡(luò)視為斷路，圖1化簡(jiǎn)后的信息傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了提高信噪比，優(yōu)化系統(tǒng)性能，在不影響能量傳輸?shù)臈l件下將高頻信息傳輸頻率選擇在系統(tǒng)高頻諧振點(diǎn)處，使一次側(cè)接收端對(duì)二次側(cè)高頻載波具有放大效果。信息傳輸系統(tǒng)的固有諧振頻率為

由于L1=L2，所以?xún)蓚?cè)信息調(diào)諧電容關(guān)系為C5=C6。

在耦合系數(shù)等參數(shù)確定的情況下，高頻信息載波傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了頻率分裂現(xiàn)象[14]，峰值點(diǎn)以固有諧振頻率中心向兩邊移動(dòng)，仿真得到2個(gè)峰值點(diǎn)如圖4所示，實(shí)際高頻信息載波頻率可能會(huì)受到干擾發(fā)生小范圍的頻率波動(dòng)，若在峰值點(diǎn)A附近發(fā)生波動(dòng)時(shí)，則幅值下降明顯，所以不適合作為高頻信息載波頻率點(diǎn)，因此選擇B點(diǎn)作為高頻信息載波頻率點(diǎn)。

信息傳輸電路中的電容C5與電阻R3串聯(lián)組成無(wú)源高通濾波器，以支路端電壓為輸入，電阻兩端電壓為輸出時(shí)，其傳遞函數(shù)為

其幅頻、相頻特性如圖5所示，在低頻200 kHz時(shí)，為-54 dB，理論上幅值衰減較大，對(duì)能量消耗可以忽略不計(jì)，相當(dāng)于斷路，所以在能量傳輸網(wǎng)絡(luò)中可以將信息傳輸支路省略。

3.3 調(diào)制解調(diào)

在信息調(diào)制過(guò)程中使用逆變器產(chǎn)生高頻正弦波作為信息載波[15]，將二進(jìn)制數(shù)字信息0和1加載到高頻信息載波中，當(dāng)數(shù)字信息為0時(shí)，二次側(cè)沒(méi)有高頻載波通過(guò)耦合線圈，數(shù)字信息為1時(shí)，二次側(cè)有高頻載波通過(guò)耦合線圈，從而完成信息的調(diào)制。信息調(diào)制過(guò)程如圖6所示。

解調(diào)電路如圖7所示，為了避免解調(diào)電路的阻抗對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在R3兩端采用高頻電壓跟隨器進(jìn)行阻抗隔離，對(duì)其接收到的電壓進(jìn)行包絡(luò)檢波后用電壓比較器進(jìn)行閾值比較從而解調(diào)出二次側(cè)有效數(shù)字信息，完成信息的解調(diào)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和理論分析的正確性和有效性，建立仿真模型，用PSpice軟件搭建仿真電路進(jìn)行能量與信息雙向傳輸?shù)姆抡妗D1中各項(xiàng)元件參數(shù)見(jiàn)表1。

僅有能量傳輸時(shí)仿真結(jié)果如圖8所示，圖中曲線1為一次側(cè)交流電壓源，曲線2為二次側(cè)負(fù)載兩端接收到的能量波形。僅有信息傳輸時(shí)仿真結(jié)果如圖9所示，圖中曲線3為二次側(cè)的數(shù)字信息，頻率為100 kHz，曲線4為調(diào)制后的信息載波，曲線5為二次側(cè)接收到的調(diào)制后的信息載波。能量和信息雙向同步傳輸時(shí)仿真結(jié)果如圖10所示，其中曲線6為二次側(cè)負(fù)載兩端接收到的電壓，曲線7為二次側(cè)接收到的調(diào)制后的信息，曲線8為二次解調(diào)后得到的數(shù)字信息。

表1 仿真元件參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation elements

通過(guò)比較僅有能量傳輸時(shí)和信息與能量雙向傳輸時(shí)二次側(cè)負(fù)載接收到的能量波形（曲線2和曲線6）的幅值可知，信息傳輸時(shí)不會(huì)影響能量傳輸效率。將二次解調(diào)得到的數(shù)字信息與一次側(cè)傳輸信息對(duì)比（曲線3和曲線8）可知，信息傳輸有效可靠，滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于磁耦合諧振能量無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能量與信息的單通道雙向傳輸，采用阻波網(wǎng)絡(luò)提高了信息載波注入耦合線圈的能量并配置了2個(gè)諧振頻率點(diǎn)提高信噪比，優(yōu)化系統(tǒng)性能。最后通過(guò)參數(shù)優(yōu)化和PSpice仿真驗(yàn)證了能量與信息雙向傳輸時(shí)不會(huì)對(duì)二次側(cè)負(fù)載接收到的能量造成衰減，二次側(cè)接收到的信息與一次側(cè)的有效信息一致，滿足信息傳輸可靠性要求。該方案為在待測(cè)設(shè)備操作空間有限、動(dòng)平衡不受影響的條件下完成測(cè)試任務(wù)提供了理論指導(dǎo)，在實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)避免了在雙通道能量與信息同步無(wú)線傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，為更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)惡劣環(huán)境下待測(cè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)提供了新的解決思路。

然而，本文所提出的方案還處于仿真階段，對(duì)于應(yīng)用在動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)實(shí)踐中還有待進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和系統(tǒng)優(yōu)化研究。