郭 堯 魏 國(guó) 郝瀟瀟 朱春波

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150001)

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雙諧振耦合能量信息同步傳輸技術(shù)研究

郭 堯 魏 國(guó) 郝瀟瀟 朱春波

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150001)

無(wú)線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的非接觸供電，適應(yīng)了特殊場(chǎng)合(如移動(dòng)設(shè)備和旋轉(zhuǎn)設(shè)備)供電需求，避免了傳統(tǒng)傳導(dǎo)式供電帶來(lái)的諸多問(wèn)題。然而在實(shí)際應(yīng)用中(如醫(yī)學(xué)電子膠囊、無(wú)線供電時(shí)的信息反饋等)，在能量無(wú)線傳輸?shù)耐瑫r(shí)還要求信息的同步傳輸。針對(duì)這類應(yīng)用，提出一種新型雙諧振結(jié)構(gòu)，利用其固有的雙諧振特性，在一對(duì)線圈中實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的同步傳輸。在分析雙諧振電路特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)提出傳輸因子的概念，分析其信道帶寬與響應(yīng)時(shí)間，并研究傳輸因子與能量/信息傳輸性能的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)載小于10 Ω，傳輸距離小于120 mm時(shí)，能量傳輸效率高于70%。通過(guò)開關(guān)鍵控調(diào)制方式，在負(fù)載值1.31 Ω、距離122 mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了50 kHz的有效傳輸。

雙諧振耦合 無(wú)線 電能傳輸 信息傳輸

0 引言

自美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等于2006年11月在美國(guó)AIP工業(yè)物理論壇上首次提出磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)的概念[1]以來(lái)，該技術(shù)快速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到手機(jī)、家用電器、電動(dòng)汽車及軌道交通等諸多領(lǐng)域。

在研究磁耦合諧振技術(shù)用于能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)，國(guó)際上一些機(jī)構(gòu)開始著手研究該技術(shù)用于通信領(lǐng)域。如喬治亞理工學(xué)院Z.Sun等[2]研究了土壤中磁通信的通道損耗、誤碼率和帶寬等問(wèn)題，提出用LC無(wú)源中繼增加通信距離的方法；美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)S.Bae等[3]研制了基于磁通信的礦難應(yīng)急通信裝置，工作頻率48 kHz，實(shí)現(xiàn)地下1 km語(yǔ)音通信。

磁通信與磁耦合能量傳輸在理論模型上幾乎相同，只是在電路工作狀態(tài)上有所不同。由于其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，部分學(xué)者開始針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合下的能量信號(hào)同步傳輸進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]提出一種DCSK調(diào)制方法，使電能傳輸功率改變時(shí)不影響數(shù)據(jù)傳輸，但該文中所提出的結(jié)構(gòu)要求二次側(cè)有兩個(gè)接收線圈：一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，一個(gè)用于能量接收和時(shí)鐘同步，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[5]研究了在諧振式無(wú)線電能系統(tǒng)中使用頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的單向信息同步傳輸方式，其信息與能量共用耦合機(jī)構(gòu)，傳輸距離10 cm，然而這種基于電能傳輸通道的同步信息傳輸方法無(wú)法兼顧帶寬與效率(雖然較小的Q值可獲得較大的通信帶寬，但也導(dǎo)致能量傳輸效率較低)。文獻(xiàn)[6，7]提出一種用于引信的能量和信息非接觸同步傳輸技術(shù)。文獻(xiàn)[8]提出了基于電能通道的數(shù)字信號(hào)雙向傳輸方法。文獻(xiàn)[9]通過(guò)在逆變?cè)辞凹尤隑oost調(diào)制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能量信息同步傳輸。

為了解決利用能量通道傳輸信息的諸多缺陷，保證能量傳輸?shù)倪B續(xù)性和信息傳輸速率，本文提出一種新型雙諧振結(jié)構(gòu)，利用其固有的雙諧振特性，分別進(jìn)行能量和信息的傳輸。首先分析了雙諧振電路的特性，然后分析了其信道帶寬與響應(yīng)時(shí)間，并研究了傳輸因子與能量/信息傳輸性能的關(guān)系，最后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同距離、負(fù)載下能量傳輸特性及通信速率對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 雙諧振電路分析

1.1 諧振頻率分析

雙諧振電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由串聯(lián)的電感L和電容C及并聯(lián)的電感La和電容Ca組成，其總阻抗為

(1)

其阻抗譜如圖2所示，可看到電路存在兩個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)f1、f2以及一個(gè)阻抗無(wú)窮大的并聯(lián)諧振點(diǎn)f3。因?yàn)楸疚闹屑?lì)源為電壓源，因此僅采用f1和f2作為電路的兩個(gè)諧振頻率，在諧振頻率處電路總阻抗最小，呈純阻性。

圖1 雙諧振電路

圖2 雙諧振電路總阻抗與頻率關(guān)系

f1和f2對(duì)應(yīng)的角頻率為

(2)

下面分析L與C、La及Ca的取值和ω0、ωa、ω1、ω2的關(guān)系。

當(dāng)L=xLa，C=yCa， 且x>1，xy>1， 也即L>La且ω0<ωa時(shí)，有ω1=αω0，ω2=βωa， 其中α、β表明了ω1、ω2相對(duì)于ω0、ωa的偏移程度，且

(3)

此時(shí)α<1，β>1，且隨著x、y的增大，α、β均趨近于1，如圖3所示。此外，α與β的變化受電感倍數(shù)x的影響較為明顯，各頻率間的關(guān)系為ω1<ω0<ωa<ω2。

圖3 偏移量α與β隨x、y的變化趨勢(shì)

另一種情況，當(dāng)La=xL，Ca=yC且x>1，xy>1， 也即Lωa時(shí)，有ω1=αωa，ω2=βω0， 其中

(4)

此時(shí)α與β的總體變化趨勢(shì)與前面相同，但其變化受y的影響更為明顯，并且與電感倍數(shù)x基本無(wú)關(guān)，如圖4所示，各頻率間的關(guān)系為ω1<ωa<ω0<ω2。

圖4 第二種情況下α與β變化趨勢(shì)

1.2 等效電感與傳輸因子的提出

無(wú)論是無(wú)線電能傳輸還是信息傳輸，其傳輸特性均與品質(zhì)因數(shù)Q密切相關(guān)。而在雙諧振電路中，其品質(zhì)因數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，因此需要找到一個(gè)更為合適的參數(shù)用于衡量能量/信息的傳輸。

設(shè)電壓源US=UScosωt激勵(lì)下電路各部分電流如圖5所示。

圖5 電壓源激勵(lì)下各部分電流

電路工作于諧振頻率ω1時(shí)，電感電流與電容電壓瞬時(shí)值為

(5)

(6)

(7)

(8)

電路儲(chǔ)能為

(9)

對(duì)式(9)求導(dǎo)，可解出在ω1t=0和ω1t=π/2時(shí)刻為儲(chǔ)能的極值點(diǎn)，分別記為W儲(chǔ)1和W儲(chǔ)2

(10)

(11)

對(duì)求得的兩個(gè)儲(chǔ)能做差，其結(jié)果如圖6所示，可以看到兩儲(chǔ)能之差近似為零，可認(rèn)為兩種表達(dá)式基本相等，都能表示儲(chǔ)能最大值。

圖6 兩個(gè)儲(chǔ)能值之差

一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量就是電阻所產(chǎn)生的熱損耗

(12)

根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義

并帶入式(10)和式(12)，則雙諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為

(13)

同理，當(dāng)電路工作于諧振頻率ω2時(shí)

(14)

(15)

同時(shí)，由式(5)與式(7)可得

(16)

式中λ為并聯(lián)電感電流與串聯(lián)電感電流之比，λ同樣出現(xiàn)在等效電感與品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式中，并且在后續(xù)分析中與能量和信號(hào)的傳輸性能相關(guān)，本文中將其稱作傳輸因子。

1.3 耦合電感的選擇

由于雙諧振電路中存在兩個(gè)電感，而無(wú)線能量/信息的傳輸需要一、二次側(cè)的互感耦合，因此本節(jié)將通過(guò)進(jìn)一步分析，選擇合適的電感作為發(fā)射/接收線圈。

首先當(dāng)L=xLa，C=yCa， 且x>1，xy>1時(shí)，傳輸因子隨x、y變化曲線如圖7所示?？梢钥吹?，低頻ω1時(shí)傳輸因子λ接近于1，電感L和La中的電流幾乎相等。高頻ω2時(shí)傳輸因子隨x的增加而增大，即等效電感增大，導(dǎo)致帶寬變窄，響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。

當(dāng)La=xL，Ca=yC， 且x>1，xy>1時(shí)，傳輸因子隨x、y的變化曲線如圖8所示?？梢钥吹剑皖lω1時(shí)λ隨y的增加而增大，而較大的傳輸因子意味著并聯(lián)電感的電流大于串聯(lián)電感電流，具有電流放大作用。高頻ω2時(shí)在整個(gè)x、y變化區(qū)間λ一直較小，這意味著此時(shí)的帶寬較寬，響應(yīng)時(shí)間較短。

圖7 傳輸因子隨x、y變化曲線

圖8 第二種情況下傳輸因子隨x、y變化曲線

因此選擇并聯(lián)電感作為耦合線圈，且并聯(lián)電感值大于串聯(lián)電感值，ωa<ω0，這樣低頻時(shí)線圈上具有較大的電流，增強(qiáng)能量傳輸能力，而高頻時(shí)具有較高的帶寬和較短的響應(yīng)時(shí)間，保證通信速率。此時(shí)各頻率關(guān)系為ω1<ωa<ω0<ω2。

2 雙諧振耦合建模分析與參數(shù)選擇

采用并聯(lián)電感作為互感耦合的電路模型如圖9所示，L1、C1和L2、C2分別為一、二次側(cè)串聯(lián)電感電容；La1、Ca1和La2、Ca2分別為一、二次側(cè)并聯(lián)電感電容。RS為交流電壓源內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻。

圖9 雙諧振電路互感耦合模型

電路的各部分阻抗為

(17)

式中：Z2(ω)為二次側(cè)的總阻抗；Z21(ω)為二次側(cè)到一次側(cè)的反映阻抗；Z1(ω)為一次側(cè)的總阻抗。

可求得電路中各電感電流和負(fù)載電壓為

(18)

從而輸入和輸出電壓的關(guān)系為

URL(ω)=G(ω)US

(19)

負(fù)載所接收到的功率為

(20)

則能量傳輸效率為

(21)

采用數(shù)學(xué)軟件對(duì)參數(shù)賦值后，就可以進(jìn)行繪圖觀察。

(22)

傳輸因子與電感電容的選擇密切相關(guān)，這些參數(shù)的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能。

對(duì)于能量傳輸，選擇較低的頻率可以降低輻射和線圈上的趨膚效應(yīng)，逆變電路及其控制也更容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于信息傳輸，為了獲得較高的通信速率，需要較高頻率的載波。因此在設(shè)計(jì)中，我們希望ω1和ω2的頻率差盡可能大，有兩種方法：

方法一：使ω1接近ωa，ω0接近ω2，且增大ωa與ω0的頻率差。此時(shí)xy較大，且α與β接近于1。由式(22)可知，用這種方法選擇的參數(shù)，低頻傳輸因子很大，高頻傳輸因子很小。

方法二：使ω1盡量低于ωa，ω2盡量高于ω0，即令α較小而β較大。依據(jù)圖4，要求xy>1時(shí)，y<1。用這種方法選擇的參數(shù)，傳輸因子相對(duì)適中。

通過(guò)代入具體參數(shù)，對(duì)比兩種參數(shù)選擇方法。設(shè)低頻f1為100 kHz附近，高頻f2為900 kHz附近，RS=0.5 Ω，RL=20 Ω，US=10 V， 耦合系數(shù)k依次取值0.01、0.1、0.4。兩種方法的電感電容取值如表1所示。

表1 各電感、電容參數(shù)取值

方法一計(jì)算的高頻傳輸因子為0.017，低頻傳輸因子為10.83；方法二計(jì)算的高頻傳輸因子為0.113，低頻傳輸因子為1.18。

對(duì)比圖10和圖11可知，低頻時(shí)方法一較方法二更早地進(jìn)入頻率分叉，意味著低頻時(shí)方法一具有更大的Q值(傳輸因子也更大)；對(duì)比圖12和圖13可知，高頻時(shí)方法二傳輸功率更大，這是因?yàn)榇藭r(shí)方法二的傳輸因子更大。

圖10 方法一低頻f1時(shí)的負(fù)載電壓

圖11 方法二低頻f1時(shí)的負(fù)載電壓

圖12 方法一高頻f2時(shí)的負(fù)載電壓

圖13 方法二高頻f2時(shí)的負(fù)載電壓

將高頻時(shí)兩種方法的傳輸因子代入式(15)，分別為L(zhǎng)+2.76×10-4La和L+0.0128La， 等效電感主要受串聯(lián)電感的影響，而傳輸因子幾乎不影響數(shù)據(jù)傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路相關(guān)參數(shù)如表2所示，為了保證信號(hào)傳輸?shù)男旁氡?，采用方法二選取參數(shù)。逆變電路為全橋，信號(hào)調(diào)制方式為二進(jìn)制開關(guān)鍵控，二次側(cè)解調(diào)采用包絡(luò)檢波和比較整形。采用互感耦合的方式，通過(guò)串聯(lián)電感將信號(hào)加入到雙諧振電路中。考慮耦合電感對(duì)系統(tǒng)的影響，此時(shí)的低頻諧振點(diǎn)為115.1kHz，高頻諧振點(diǎn)為888kHz。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

首先驗(yàn)證低頻能量傳輸。傳輸距離為103 mm時(shí)，傳輸功率與效率隨負(fù)載的變化如圖14所示。

圖14 傳輸功率與效率隨負(fù)載變化曲線

隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)的傳輸效率下降，負(fù)載值小于10 Ω時(shí)，傳輸效率大于70%。而負(fù)載值為20 Ω時(shí)達(dá)到匹配，傳輸功率最大。

選定負(fù)載電阻為2.96 Ω，測(cè)量距離從46 mm到266 mm(耦合系數(shù)從0.3到0.037變化)變化時(shí)的傳輸功率與效率。耦合系數(shù)較高出現(xiàn)頻率分叉時(shí)，測(cè)量低頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖15所示。

圖15 傳輸功率與效率隨距離變化曲線

隨著距離增加，傳輸效率呈下降趨勢(shì)。在距離為146 mm，耦合系數(shù)為0.074 4時(shí)達(dá)到阻抗匹配，傳輸功率最大。當(dāng)傳輸距離小于120 mm時(shí)，傳輸功率與效率較為穩(wěn)定。

然后驗(yàn)證高頻信號(hào)傳輸。傳輸距離定為122 mm，負(fù)載為1.31 Ω，測(cè)得此時(shí)高頻3 dB帶寬為53 kHz，傳輸效率為4.92%。對(duì)于信號(hào)傳輸，效率不是主要的考慮因素，下面考察其傳輸速率。

在能量傳輸輸入功率20 W的同時(shí)，一次側(cè)發(fā)送頻率為9.7 kHz交替的01信號(hào)，二次側(cè)帶通濾波及包絡(luò)檢波的波形如圖16所示，原始信號(hào)與最后解調(diào)輸出信號(hào)如圖17所示?？煽吹浇?jīng)過(guò)帶通后，信號(hào)較好地從能量中分離出來(lái)，且最終的解調(diào)輸出與原始信號(hào)一致。將信號(hào)頻率增至70 kHz，帶通與包絡(luò)檢波的輸出如圖18所示?？煽吹酱藭r(shí)信號(hào)的上升與下降邊緣已經(jīng)發(fā)生重疊，解調(diào)會(huì)產(chǎn)生較大的誤碼率，認(rèn)為已經(jīng)無(wú)法傳輸信號(hào)。經(jīng)測(cè)量，二次側(cè)帶通輸出信號(hào)的上升時(shí)間約為8 μs，而70 kHz的一個(gè)周期為14.3 μs，上升未完全響應(yīng)就開始下降，所以電路的響應(yīng)時(shí)間決定了最大通信速率。

圖16 9.7 kHz帶通與包絡(luò)檢波器輸出波形

圖17 9.7 kHz原始信號(hào)與解調(diào)信號(hào)

圖18 70 kHz帶通與包絡(luò)檢波器輸出波形

實(shí)驗(yàn)達(dá)到的最大通信速率為50 kHz，原始信號(hào)與解調(diào)信號(hào)如圖19所示。此時(shí)解調(diào)信號(hào)相對(duì)于原始信號(hào)存在一定延遲，這是由于受電路響應(yīng)時(shí)間的影響。

圖19 50 kHz原始信號(hào)與解調(diào)信號(hào)

4 結(jié)論

本文提出一種新型雙諧振結(jié)構(gòu)，低頻諧振點(diǎn)用于傳能以降低輻射和趨膚效應(yīng)，且使得逆變電路及控制更容易實(shí)現(xiàn)；高頻諧振點(diǎn)用于通信以提高通信速率，解決傳統(tǒng)的基于能量通道傳輸信號(hào)速率慢、能量傳輸不連續(xù)的問(wèn)題。分析了雙諧振電路的特性、耦合電感的選擇、雙諧振耦合模型和參數(shù)選擇。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)載值小于10 Ω、傳輸距離小于120 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)70%以上的能量傳輸效率。在負(fù)載為1.31 Ω，距離為122 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最高50 kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率。

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Study on Wireless Power and Information Synchronous Transfer Based on Dual Resonant Coupling Circuits

GuoYaoWeiGuoHaoXiaoxiaoZhuChunbo

(Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

Wireless power transfer (WPT) technology realizes contactless power supply to equipments，e.g. mobile devices and rotating machinery，and avoids problems caused by power supply wires.However，in practical applications, such as medical electronic capsule and information feedback in WPT，the synchronous transfer of information is required.For such applications，a new dual resonant circuit is proposed in this paper，which is able to realize the synchronous transmission of power and information.Based on the analysis of the dual resonant circuit，the concept of the transfer factor is proposed to analyze the channel bandwidth and response time.The relationship between the transfer factor and the energy/information transfer performance is also studied.Experiments show that the energy transfer efficiency is above 70% when load is less than 10 Ω and the distance is less than 120 mm.By using the on-off-keying modulation mode，50 kHz signal can be effectively transferred at 122 mm air gap with 1.31 Ω load.

Dual resonant coupling circuit，wireless power transfer，information transfer

國(guó)家自然科學(xué)基金(51277037)資助項(xiàng)目。

2015-05-28 改稿日期 2015-06-12

TM726.1

郭 堯 男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)。

魏 國(guó) 男，1966年生，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸、現(xiàn)代敏感技術(shù)、信號(hào)處理。(通信作者)