基于双侧LCC的全双工WPT能量信号并行传输系统

发布时间：2021-09-11

　　摘要无线电能传输系统的监测、控制等操作需要基于信号传输技术实现，能量信号并行传输技术是一种基于无线传能通道实现的信号传输技术。该文提出一种基于双侧LCC补偿结构的WPT能量信号并行传输系统，该系统在实现无线电能传输(WPT)系统原边和负载恒流的同时，实现信号双向传输且不影响能量通道的谐振状态。通过对信号通道的阻抗和电压增益的分析，基于香农第二定理提出一种稳定的双频全双工信号通信信道参数设计方法，通过调节信道电阻提升信号传输速率并保证信号传输的增益，同时抑制能量通道对信号的干扰。最后，通过仿真和实验平台对所提结构进行验证，证实了能量传输未受到信号通道的影响，同时实现了可靠稳定的全双工信号传输。

　　关键词：无线电能传输信号传输共享传输通道载波调制

　　0引言

　　无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术如今应用到多个领域中，如电动汽车、手机、传感器、医疗设备[1-4]等，这项技术因其高效、灵活、稳定等优点正在蓬勃发展。在WPT技术应用中，能量的反馈控制、系统的状态监测、电池SOC的信息上传、负载和异物检测都不可避免地需要在发射端和接收端进行数据传输，因此，关于能量信号并行传输(SimultaneousWirelessPowerandDataTransfer,SWPDT)技术的研究逐渐受到关注。如今，SWPDT技术应用中对全双工通信的需求越来越多，比如，移动机器人无线充电[5]、手机无线充电[6]、电动汽车动态无线供电[7]等，信号单向传输难以满足系统的通信需求，因此，具有全双工通信能力的信号传输系统成为目前研究的热点。

　　目前，广泛使用的信号传输技术包括NFC技术、蓝牙模块、RFID、Wi-Fi模块、ZigBee等，然而，这些成熟通信模块应用在WPT系统中存在一些问题[8-9]：一方面，蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等通信建立时间较长，同时存在信息交互过程的稳定性问题;另一方面，这些模块与许多射频通信设备(IEEE802.11)的频段相近，相互之间容易产生干扰，甚至在有些场合(如海洋水下环境[10]等)的WPT系统应用，这些通信方式很难实用。因此，一种快速、稳定和可靠地实现信号传输的WPT系统能量信号并行传输技术引起了人们的高度重视。

　　SWPDT系统是基于WPT能量传输通道同时进行信号传输的系统。SWPDT系统目前有能量调制法和独立载波法两种实现方式。能量调制法主要是通过能量波的幅值、频率和相位等参数变化实现信号调制[11-15]。然而能量调制法存在能量波动问题，信号调制过程会导致能量传输不稳定。

　　独立载波法是利用远高于能量谐振频率的独立载波进行信号调制。由于在能量耦合线圈上存在有能量波和信号调制波，两个频率下能量通道与信号通道相互影响，因此，独立载波方法的关键在于信号调制波的注入与分离。目前，应用最广泛的为串联式和并联式，它们是将信号调制波利用互感耦合器串联或并联的方式连接到能量耦合线圈上。文献[16-18]采用并联式的注入与拾取，并联式可以提升信号传输的增益，但是能量与信号之间串扰严重，通过增设阻波网络和采用复合谐振网络可以减小相互之间的串扰。文献[19-20]采用串联式注入信号双向传输WPT系统，串联式的传输增益较小，因此，需要对互感耦合器参数进行优化设计，提升信号传输稳定性。此外，还有并联串联结合的方式[21]、部分线圈注入式[22-23]和寄生电容注入式[24-25]，它们的研究目标在于能量频率和信号载波频率下避免相互影响。独立载波法相较于能量调制可以实现稳定的能量传输，但是信号传输极易受到能量谐波和外界噪声的干扰，容易导致信号传输失败。

　　SWPDT的两种传输方式应用在全双工模式下仍存在一些问题——能量调制法很难实现信号的双向同步传输;独立载波法的双向信号传输存在相互干扰，影响信号传输的稳定性。目前，SWPDT系统全双工通信的研究主要针对实现途径。文献[26]提出一种基于FFT运算的频域解调方法，将双向信号载波以及电能串扰信号映射至频域中，依靠其频域的分离特性实现双向信号的实时解调;文献[27]提出一种基于串联式信号注入和提取的全双工SWPDT系统，利用正反向传输通道不同谐振频率进行全双工通信;文献[28]提出一种干扰补偿控制策略，信号接收端的输出电压经过幅值和相位补偿得到信号发射端原始电压，避免了同侧信号源干扰。信号全双工通信的关键在于如何避免双向信号通道间的相互干扰。

　　本文基于并联式方法实现信号调制波的加载与提取，提出一种基于信噪比和带宽，以信号增益和信号传输速率为指标的信号通道参数设计方法，保证信号传输不受到能量干扰电压的影响，且能够实现全双工通信。双侧LCC型拓扑结构可以实现原边恒流与负载恒流，从而实现更加稳定的能量传输，是目前无线传能系统中应用较广泛的拓扑形式。信号的通道并联注入方式可以避免对能量谐振产生影响。同时，通过对信号通道的参数配置减小能量对信号的干扰，并实现正反向信号不同频的全双工通信。

　　1全双工SWPDT系统阻抗分析

　　SWPDT系统典型结构如图1所示。图中，能量传输发射端包含了整流、高频逆变、谐振网络等环节，能量耦合机构通过磁耦合谐振的方式将电能传输到接收端，并经过谐振网络、整流滤波后传输到负载端，为负载供电。信号通道的发射端包含载波发生器、滤波器、乘法器、调制电路、放大电路等，并通过互感变压器并联到能量耦合机构上。调制波与能量波一同传输到接收端，再经过调谐、滤波、信号解调、比较电路等环节后，复原出信号。

　　SWPDT系统有多种信号注入和提取方法，并联式的方法可以很好地抑制信号对能量的影响。本文选取LCC-LCC型拓扑结构进行讨论。LCC谐振补偿网络不仅有原边线圈恒流、负载恒流的特性，还具有更好的滤波特性，可以有效阻隔能量通道和信号通道[29-30]。

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　　SWPDT系统双侧LCC型补偿拓扑电路如图2所示，图中，Q1～Q4为逆变电路的4个MOSFET管，Cp与Cs为发射端和接收端的谐振电容，Lp与Ls为发射线圈与接收线圈。在能量通道上的阻波网络由两个LC并联带阻电路构成，能量通道的阻波网络如图3所示，阻波网络用来阻隔能量通道与信号通道之间的阻抗影响。信号通道上的阻波网络由一组LC并联带阻电路构成，用来阻隔正向与反向信号传输之间的阻抗影响。LC并联阻波网络与有源滤波、二阶滤波等网络相比结构简单，且更容易实现LCC电路的配谐。阻波网络的中心频率分别为信号传输的载波频率fd1和fd2，有能量传输频率远小于信号传输频率，设fd1=g1fp，fd2=g2fp，g1和g2远远大于10。信号正向传输通道的阻波频率为反向传输频率fd2，反向传输通道的阻波频率为正向传输频率fd1。

　　2SWPDT系统信道增益分析

　　上述阻抗分析表明了双侧LCC结构的能量通道在增设了阻波网络后，并联注入和提取方式并不影响能量传输的谐振，也减小了信号支路之间的阻抗影响。然而，即便如此，信号传输过程仍然可能因为能量耦合机构的剧烈衰减造成信号传输失败。同时，当能量传输功率很高时，信号通道在能量源作用下仍然会受到干扰。因此，需要针对信号传输电压增益及能量通道对信号的干扰电压增益进行分析。

　　2.1信号传输的电压增益

　　通过第1节的阻抗分析可知，阻波网络使得能量通道和信号支路RX2呈高阻抗特性，因此，分析时忽略能量通道和RX2的阻抗影响，信号正向传输的等效电路如图6所示。

　　反向传输的电压增益与正向传输的分析与正向类似，这里不再赘述，通过阻抗分析得到信号反向传输的电压增益为Gd2。

　　2.2能量传输的干扰电压增益

　　能量通道进行传输时，信号支路虽然为高阻抗，但是接收回路RX1仍然会受到能量的干扰，能够感应到干扰电压Upd。LCC的恒流特性使得原边线圈电流为式(6)，其简化电路如图7所示。

　　信号的反向传输同样受到能量的干扰，与正向传输的干扰电压增益分析类似，通过阻抗分析可得反向传输能量干扰电压增益为Gpd2。信号正反向传输之间的干扰电压远远小于能量干扰电压，因此，信号传输的噪声主要来源是能量干扰电压，信号正反向传输的干扰电压可忽略不计。

　　2.3信号通道信噪比及带宽

　　根据香农第二定理，信号传输的信道容量与信道带宽、信噪比成正比，信号传输速率小于信道容量时，信号传输性能最好，误码率最小，更有利于能量信号并行传输。因此，基于信道带宽和信噪比设计信道参数，可以实现更加稳定的信号双向传输。

　　3信道参数的传输性能分析

　　SWPDT系统的能量通道确定的情况下，信号通道参数决定了信号传输性能。上述分析得出了信号传输信噪比与信道带宽之间的关系，由此也得出了信道参数设计的基本原则：

　　(1)信号接收回路的输出电压必须大于参考值Vref，否则解调电路无法识别出信号。

　　(2)传输速率必须小于信号传输最大容量，有

　　即信道参数设计必须满足式(26)。当SWPDT系统采用ASK调制方法时，信号上升时间需要数个完整的载波，因此，最大传输速率的阈值设为信号容量的1/10。信号参考电压Uref由解调电路的比较电路电压Vref确定，信号解调电路如图8所示，输出电压值必须大于Vref/n，其中，n为放大倍数。

　　在信道参数中待确定的参数为TX回路调节电阻RTX1、RX回路调节电阻RRX1及输出电阻Ro1。图9a和图9b是信号正向传输时，信号传输增益在不同载波频率下随电阻RTX1、RRX1的变化趋势。由图图9a和图9b对比可知，信号传输电压增益对发射端电阻RTX1更敏感，发射端电阻RTX1越小，信号增益提升越明显。接收端电阻RRX1对信号增益不敏感，从1W～20kW信号增益只减少了约2dB，而发射端电阻RTX1在此范围减少了至少30dB，其衰减程度远远大于RRX1的衰减程度。

　　图10a和图10b为信号增益在不同耦合机构互感下随电阻RTX1、RRX1的变化趋势。显然，图10与图9中的变化曲线趋势一致，信号增益对发射回路调节电阻更加敏感，接收回路的调节电阻对信号增益的变化不大。此外，由图9和图10的载波频率变化可以看出，信号传输载波频率和耦合机构的互感越高，信号增益就越大。因此，SWPDT系统为了实现更稳定的信号通信，往往选择频率较高的载波以及更大耦合系数的线圈，并且为了避免正反向传输的输出特性差距过大，正反向信号传输载波的频率差不能太大，所以，l的取值范围一般为1

　　从图9a、图10a及图11a的变化趋势还可以看出，发射回路的调节电阻增大时，信道带宽虽然也增大，但是信号传输增益明显变小。一般地，信号传输增益要大于-20dB，否则接收端的信号输出幅值难以达到可以解调出包络的基准电压，导致信号复原失败。因此，发射回路的调节电阻必须满足式(26)，即信号传输输出电压必须达到信号能够解调的电压，且信号传输速率小于信道最大容量。

　　图12为信号传输增益随输出电阻Ro1的变化曲线。由图可知，提升输出电阻Ro1可以提升信号传输的增益，由于输出电阻Ro1对信道带宽的影响几乎没有，因此，为了提升信号传输的性能，输出电阻Ro1越大越好。

　　通过以上分析可知，为了SWPDT系统有更好的传输性能，应当提高接收回路阻值RRX1、RRX2及输出电阻Ro1、Ro2，发射回路阻值RTX1、RTX2需按照式(26)的原则进行设计，保证信道有较高的信噪比，信号传输过程不受能量通道的影响，并有足够带宽实现高速率的信号传输。

　　4仿真及实验验证

　　根据SWPDT系统参数设计方法的过程，利用Matlab仿真软件得出系统参数，并对其进行仿真和实验验证。实验装置如图13所示。SWPDT系统的能量通道参数见表1。

　　根据能量通道的参数进行系统仿真得到了如下的结果。系统能量通道的输出功率与效率符合理论推导的数值。能量通道实现80%效率的传输，输出功率为86.4W。能量传输的性能指标见表2。可知，当能量通道连入信号通道后，系统的各类能量指标几乎不受影响。在表2中，无信号通道的能量输入功率为106W，加入信号通道后，信号通道虽然呈高阻抗，但是仍有较小功耗，因此，输入功率略有提升，能量传输的效率略有下降。由于能量通道的阻波网络效果，能量通道的Ip和IL波动都小于20mA，能量仍能保持高效率的传输。

　　SWPDT系统的信号通道见表3，正向传输的载波频率为4MHz，反向传输的载波频率为6MHz。信号接收回路的调节电阻阻值都为1kW，使得信号功耗小并能保持调制波波形完整。

　　由前述可知，SWPDT系统发射回路的调节电阻越高信号增益越小，为了使信号通道有足够大的信噪比，发射回路的调节电阻不能过大。同时，为了提升信号传输速率，调节电阻阻值也不能过小。——论文作者：王佩月1左志平1孙跃1,2李小飞1范元双1