CPT系统能量与信号混合传输技术

CPT系统能量与信号混合传输技术
孙跃;王琛琛;唐春森;戴欣;王智慧
【摘要】针对感应耦合电能传输(CPT)系统中的信号传输问题,提出一种基于能量通道的数字信号传输方法.该方法通过切换谐振逆变器开关管的软开关周期来对数字信号进行调幅调制,电能接收端在通过功率调节单元接收电能的同时,提取调制信号特征并进行信号复原,在不改变感应耦合电能传输系统主电路拓扑结构的情况下,实现了传输数字信号.介绍了信号传输原理,分析了功率与信号混合传输特性,以及和信号传输效率之间的关系,并进行了实验验证.
【期刊名称】《电工电能新技术》
【年(卷),期】2010(029)004
【总页数】5页(P10-13,22)
【关键词】感应耦合电能传输;能量调制;软开关
【作者】孙跃;王琛琛;唐春森;戴欣;王智慧
【作者单位】重庆大学自动化学院,重庆,400044;重庆大学自动化学院,重
庆,400044;重庆大学自动化学院,重庆,400044;重庆大学自动化学院,重庆,400044;重庆大学自动化学院,重庆,400044
【正文语种】中文
【中图分类】TM133
1 引言
感应耦合电能传输(CPT)技术是一种基于电磁感应耦合原理的非接触式电能传输技术。

通过一次侧、二次侧线圈间的耦合磁场实现电能从静止电源系统向一个或多个可移动用电设备的非电气直接接触电能传输方式［1］。

然而在随钻井下通信、医用体内植入系统等设备应用时需要实时检测系统的工作状态或传递控制指令，因此系统需要在非接触传输电能的同时实现信号的同步传输。

研究发现由于感应电能传输系统中磁能转换机构及高频电能逆变器的存在，如果电能与信号分别用两个通道传输，电能对信号的传输有很强电磁干扰问题。

因此需要研究适应于感应电能传输系统中基于能量传输通道的信号有效传输方法，实现电能与信号的同步传输。

感应式电能与信号混合传输技术就是在非接触电能传输的同时传输数字信号，电能与信号共用一个电磁耦合机构和感应线圈。

目前，CPT系统中信号传输有以下三种方法，方法一:在能量传输电磁耦合机构中增设一对信号传输线圈［2］。

该方法信号解调部分需要做滤波等处理，增加了系统设计的复杂度，同时电能干扰问题严重。

方法二:通过对极谐振逆变器的控制，使得发射线圈电流幅值持续过零.在过零时段进行信号的传输［2］。

该方法中发射线圈电流断续，对次级电能拾取电路要求复杂，并且对电路参数要求高，电路的鲁棒性差。

方法三: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［3］。

该方法中的逆变器只能工作在小功率的情况下。

文中根据CPT系统谐振变换器存在多软开关工作点的特性，提出一种基于切换谐振逆变器开关管软开关周期的信号调制方法。

该方法解决了CPT系统中传输数字信号需要增设一组线圈的问题，同时传输数字信号时电能电流不断续。

2 系统结构及信号传输原理
2.1 系统结构
图1所示为本文提出的一种带信号传输的CPT系统原理结构图，该结构图在原来CPT系统基础上增加了初级回路的信号调制部分和次级回路的信号提取与复原部
分。

在功率传输电路中通过调制器改变谐振变换器的开关控制周期，可以将传输数据调制于功率信号上，另外在不改变原有非接触电能传输拓扑的基础上完成传输数字信号的任务。

由于电能本身携带数字信号，所以使用这种传输方法信号与能量传输之间不存在相互干扰。

由于信号传输过程中载波频率不发生变化，所以不存在相频失真和幅频失真。

其工作原理如图1(a)(b)所示。

图1 带信号传输的CPT系统结构图Fig.1 Diagram of inductively coupled synchronous transmission of power and signal
2.2 信号调制原理分析
图1(a)所示的电能高频逆变器是一种串联谐振型逆变器，主要由电流检测单元，软开关切换控制器和四个开关管S1－S4以及一个谐振网络组成。

为了提高功率传输效率，要求其全桥逆变器工作于软开关状态，对初级谐振电流周期函数求解计算得知原边谐振电流周期函数存在一系列过零点，如图2所示。

这些过零点对应的时间都是系统ZCS周期［4］，如图1所示系统通过调制器控制开关管的触发脉冲周期在T1(A点对应的时间)与T3(C点对应的时间)之间切换，把需要传输的数字信号加载到初级线圈的谐振电流上，形成综合能量信息流传递到次级回路。

图2 谐振电流周期函数曲线Fig.2 Resonant current function curve
当数字信号为1时，调制器产生周期为T1的控制脉冲触发开关管的通断，初级电路在电感上形成高频交流电流。

电容CP、电感 LP和电阻构成谐振网络，图3依次为初级发射线圈的电流、开关管S2/S3触发脉冲，开关管 S1/S4触发脉冲的Matlab仿真波形。

从图中可以看出触发脉冲在谐振电流每个半波切换一次，都发生在电流过零时刻。

工作点A是系统的通常的基波谐振频率点，系统工作在基波谐振状态。

图3 控制脉冲周期为T1时谐振电流波形Fig.3 Resonant current waveform when control cycle is T1
当数字信号为0时，调制器产生周期为T3的控制脉冲触发开关管的通断。

因为谐振电路阻尼系数的存在，当控制脉冲周期增大时初级电感储能减少，因此初级发射线圈电流减小，图4所示依次为初级发射线圈的电流波形，开关管S2/S3触发脉冲，开关管S1/S4触发脉冲。

可以看出当开关的切换频率降低为T1的1/3，触发脉冲在谐振电流每3个半波切换一次，电流的幅值也约为其1/3。

但电流的频率与基波谐振频率一致，因此如果系统在这两点之间切换，将不会导致电流波形突变。

图4 控制脉冲周期为T3时谐振电流波形Fig.4 Resonant current waveform when control cycle is T3
图1(b)示为次级回路，拾取线圈(电感 LS)将感应到的电流转换成电压，再经过信号提取与复原电路得到被传输信号。

由于初级线圈电流幅值发生变化，因此不能直接与负载相连，为了减小信号传输带给能量传输的影响，必须在能量的拾取端进行功率调节。

功率调节方法有很多，通常是在副边拾取端整流滤波后加 DC/DC变换器调节输出电压，或是副边短路解耦控制，在拾取线圈上并联一个短路开关，以一定的频率及占空比控制拾取端解耦就可以调节拾取到的功率。

3 能量与信号混合传输特性分析
能量与信号混合传输是通过改变逆变器的控制频率使数字信号调制到能量电流波形上，由于谐振网络作为综合能量信息流的传输通道，因此谐振网络的阻抗特性将影响功率传输特性与信号传输特性。

3.1 功率传输特性分析
图5 传输通道等效电路图Fig.5 Equivalent circuit of transmission channel
由于感应电能与信号传输过程是通过近场耦合完成的，假设没有向外辐射能量。

初级谐振网络的等效电路由图5所示，R′11为次级回路折射到初级的反射电阻，X′11为次级回路折射到初级的反射电抗。

初级回路发送功率为:
式中P1—消耗在发送电路上的功率
P2—次级电路接收的功率
当感应电能传输时，电路工作在谐振状态。

这时X11+X′11=0次级电路接收到的功率:
设
得
式中k—功率耦合因子
由(4)式可以看出当λ=1时，次级电路接收到来自初级电路的功率最大。

因此设计系统时应调整参数使得R11=R′11次级电路接收到的功率最大，此时
3.2 信号传输效率分析
在感应式能量与信号混合传输中，信号载波即为电能，次级线圈接收到的可知感应信号传输效率:
由(3)式可知(5)可表示为从式(5)中可知信号传输效率η随λ的增大而增大，在感应式电能与信号混合传输过程中，要保证能量的传输效率最大。

此时λ=1，信号传输效率η=50%。

3.3 信号提取与复原
电感Lsense将接收线圈电感LS中的电流转换成电压Vin，信号提取与复原是通过检测副边电压的幅值变化来实现的。

图6是一种实现电路，该电路包含两路不同参数设计的包络检波器和一个比较器。

图6 信号提取与复原Fig.6 Signal extraction and recovery
包络检波器 1由 D1，C1和 R1组成。

RS，CS构成的低通滤波器用于滤去高频电能。

当2π/ω≪R1C1≪τ(τ为避免惰性失真的最大截止时间)时，电压Vout1反映输入电压Vin的包络变化。

包络检波器2基本结构与包络检波1一致，只是电路设计的参数不同，当 R2C2≫τ，输出电压 Vout2基本不变，可认为是直流，再经过电阻R5，R6分压，将分压后的电压Vout3作为判决电压，比较器输出信号，实现了信号的提取与复原。

4 实验分析
为了验证本方法的可行性，搭建了电路参数如表1所示基于CPT系统的能量与信号混合传输实验电路，实验测试波形如图7至图9所示。

表1 电路参数表Tab.1 Circuit parameters参数取值输入直流电压Edc/V 15.0初级谐振电容Cp/μF 0.9初级谐振电感Lp/μH 68.77次级谐振电容Cs/μF 1.36次级谐振电感Ls/μH 44.75互感M/μH 7.86原边Rp/Ω0.06
图7中为待传输的数字信号和初级电感电压波形。

由图可以看出，在不同的数字信号时，初级电感电压幅值发生变化。

图7 初级回路波形Fig.7 The Primary circuit waveforms
图8中为拾取电感LS电压波形与负载电压波形，调幅调制后的电能经过功率调节器和稳压环节。

输出了平稳的直流电压供给负载。

图9中为包络检波器1的Vout1输出波形，包络检波器2的输出经过分压Vout3的波形以及复原的被传输信号。

图8 拾取端波形Fig.8 Secondary circuit waveforms
图9 信号提取与复原Fig.9 Signal extraction and recovery
5 结论
在CPT系统中，提出基于能量通道实现数字信号传输的方法。

该方法通过切换开关管控制脉冲频率的方式，在原副边耦合线圈间形成综合能量信息流，电能接收端
在接受电能的同时，提取被调制信号的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CPT系统中信号传输提供了新的思路。

参考文献 (References):
［1］Boys J T，Green A W.Inductively coupled power transmission concept-design and application ［J］.IPENZ Trans.，1995，22(1):1-9. ［2］T Bieler，M Perrottet，V Nguyen，et al.Contactless power and information transmission［J］.IEEE Trans.Industry Applications，2002，
38(5):1266-1272.
［3］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.
［4］C S Tang，Y Sun，Y G Su，et al.Determining multiple steadystate ZCS operating points of a switchmode contactless power transfer system ［J］.IEEE Trans.Power Electronics，2009，24(2):416-425.。