电气传动

串联补偿无线电能传输变换器载波通信研究

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刘辉 , 苏建徽 , 张健 , 刘硕 , 施永 , 张捷

电气传动 | 电力电子 2024,54(9): 12-18

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电气传动 | 电力电子 2024, 54(9): 12-18

串联补偿无线电能传输变换器载波通信研究

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刘辉, 苏建徽, 张健, 刘硕, 施永, 张捷

作者信息

合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009

刘辉（1998—），男，硕士研究生，Email：1529239481@qq.com

Research on Carrier Communication of Series Compensated Wireless Power Transfer Converter

Hui LIU, Jianhui SU, Jian ZHANG, Shuo LIU, Yong SHI, Jie ZHANG

Affiliations

School of Electrical Engineering and Automation， Hefei University of Technology， Hefei 230009，Anhui， China

出版时间: 2024-09-20 doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd25200

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摘要

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无线电能传输（WPT）负载电压、电流等状态信息需送到原边进行闭环控制和监控处理，副边到原边的通信至关重要。首先介绍了电容调制的WPT系统拓扑和工作原理，电容调制与否使得系统拓扑发生变化，未调制时原、副边拓扑为串/串（S/S）结构；调制时原、副边拓扑为串/串并（S/SP）结构。调制电容的投切形成两种状态来传递通信信息，且该状态变化可以反映到原边电流上。其次采用幅移键控（ASK）解调电路对原边电流处理即可还原通信信号，为提高解调精度和抗干扰能力，对ASK解调电路进行改进。最后通过仿真和实验验证了方案的有效性，实验结果表明，该系统在100 W的运行功率、2~5 kHz的通信频率下，可以精准完成副边到原边的通信。

关键词

无线电能传输 / 载波通信 / 调制电容 / ASK解调

Abstract

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Wireless power transfer（WPT）load voltage，current and other state information need to be sent to the original side for closed-loop control and monitoring processing，the secondary side to the original side of the communication is very important. Firstly，the topology and working principle of capacitive modulated WPT system were introduced. With or without capacitance modulation，the system topology was changed，the original and secondary side topologies were series/series（S/S）structure when unmodulated，and the original and secondary side topologies were series/series-parallel（S/SP）structure during modulation. The switching of the modulation capacitor formed two states to transmit communication information，and the change of the state can be reflected in the primary current. Secondly，the amplitude-shift keying（ASK） demodulation circuit was used to process the primary current to restore the communication signal. In order to improve the demodulation accuracy and anti-interference ability，the ASK demodulation circuit was improved. Finally，the effectiveness of the scheme was verified by simulation and experiments，and the experimental results show that the system can accurately complete communication from the secondary side to the primary side at a power of 100 W and a communication frequency of 2~5 kHz.

Key words

wireless power transfer（WPT） / carrier communication / modulation capacitance / amplitude-shift keying（ASK） demodulation

引用本文

刘辉, 苏建徽, 张健, 刘硕, 施永, 张捷. 串联补偿无线电能传输变换器载波通信研究. 电气传动, 2024 , 54 (9) : 12 -18 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd25200

Hui LIU, Jianhui SU, Jian ZHANG, Shuo LIU, Yong SHI, Jie ZHANG. Research on Carrier Communication of Series Compensated Wireless Power Transfer Converter[J]. Electric Drive, 2024 , 54 (9) : 12 -18 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd25200

正文

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无线电能传输（wireless power transfer，WPT）因其便利性、安全性、易用性以及可定制性等特点，被广泛应用在手机、电动汽车、植入式医疗设备、自动引导车等领域^[1-4]。一个完整的WPT系统应当包含主功率电路以及通信电路两部分。通信电路可被用于向副边发送控制信息、监测电池负载状态和输出电压的反馈控制等^[5]，从而保证WPT的安全性和可靠性。

无线通信技术分为辐射式无线通信技术和非辐射式无线通信技术。WiFi、蓝牙、2.4G等辐射式无线通信方式存在信号易受干扰、能量消耗大以及配对繁琐等问题，降低了WPT系统的安全性和可靠性。因此，非辐射式SWPDT（simultaneous wireless power and data transfer）技术成为无线工作者的选择。在WPT系统中已经有多种SWPDT通信方法被提出，包括独立通道独立载波通信技术^[6]、载波注入式通信技术^[7]、幅移键控（amplitude-shift keying，ASK）^[8]、相移键控（phase-shift keying，PSK）^[9]等。

对于电能和数据传输多通道系统，国内外研究人员提出了单发射线圈/双接收线圈、双发射线圈/单接收线圈、双发射线圈/双接收线圈等多种线圈结构并进行了理论分析与实验验证，证明多通道电能和数据传输的可行性，但电能和数据之间存在严重的串扰，造成信号的损伤^[10]。文献[11]提出了一种新型载波注入式SWPDT系统，通信数据由即插即用的环芯电感注入和提取，在12.5 kW功率传输下，实现了全双工数据传输，但由于通信频率比工作频率高一个数量级，需要使用额外的CPLD（complex programmable logic device）来实现。文献[12]采用频移键控（frequency-shift keying，FSK），利用WPT系统的频率分裂特性，采用两个频率分裂点来表示数据传输过程中的“0”和“1”，但是作者假定原边电源内阻和副边交流阻抗值相等才得出奇模和偶模频率处功率相等，条件过于苛刻，并且此方法不具备抗偏移性。文献[13]采用带中心抽头的松耦合变压器进行数据注入和提取，使用惠更斯电桥进行数据解耦，利用频分复用技术在300 W的功率传输中，实现了500 kb/s的全双工通信，但该方式需要对双边LCC拓扑线圈结构做出改变，增加了系统繁琐性。文献[14]在LCC拓扑上采用DQPSK（differential quadrature phase-shift keying）调制策略，使用5 MHz和6.25 MHz两种频段进行频分复用，在3.3 kW的WPT系统中实现了全双工通信。但是该方式功率载波中的特定谐波与通信信号存在串扰，在大功率传输下尤为严重，将造成误码率上升。

由上文可知，在大功率WPT系统中可以使用CPLD对环芯电感进行数据的注入和提取来完成WPT的通信设计。但由于成本限制，此种方式并不适用于中、小功率。为此，本文以近距离S/S补偿WPT变换器为研究对象，采用在副边等效交流阻抗两侧投切调制电容的方式来改变副边阻抗，进而引起ASK调制。其次，使用电流互感器采集原边电流进行ASK解调，为了提高解调精度和抗干扰能力，对ASK解调电路进行优化设计。最后，搭建了100 W无线电能传输样机验证了本文ASK反向通信方案的正确性。

1 ASK载波通信总体方案设计

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1.1 总体结构

带有电容调制的S/S补偿WPT变换器拓扑如图1所示。图中，L₁，L₂为松耦合变压器（LCT）原边和副边线圈自感；M为LCT的互感；C₁，C₂为谐振电容；u₁（t）为MOS管K₁~K₄组成的全桥逆变输出电压，是频率85~140 kHz、占空比50%的方波；u₂（t）为D₁~D₄组成的全桥整流输入电压，也是占空比50%的方波；i₁（t）和i₂（t）为LCT线圈电流，在LCT耦合度k=M/（L₁L₂）^0.5较低时接近正弦波；U₁，U₂分别为原边直流电源电压和副边负载端电压；I₁，I₂分别为电源电流与负载电流；CT为电流互感器，采集原边电流送到ASK解调电路；C₃，C₄为调制电容，K₅，K₆控制其导通与关闭，栅极驱动信号是开关频率为2~5 kHz的方波。C₃，C₄接通时，原边电流为“1”状态，C₃，C₄关断时，原边电流为“0”状态，ASK解调电路通过检测原边电流幅值变化，还原通信信号。

对WPT系统分析采用基波法（fundamental harmonic analysis，FHA），根据傅里叶级数可知：

（1）

$\left\{\begin{array}{l}\left|{U}_{1}\right|=\frac{4}{\pi }{U}_{1}\\ \left|{U}_{2}\right|=\frac{4}{\pi }{U}_{2}\\ \left|{I}_{1}\right|=\frac{\pi }{2}{I}_{1}\\ \left|{I}_{2}\right|=\frac{\pi }{2}{I}_{2}\end{array}\right.$

（2）

${R}_{AC}=\frac{\left|{U}_{2}\right|}{\left|{I}_{2}\right|}=\frac{\frac{4}{\pi }{U}_{2}}{\frac{\pi }{2}{I}_{2}}=\frac{8}{{\pi }^{2}}{R}_{L}$

式中：

${U}_{1}, {U}_{2}, {I}_{1} , {I}_{2}$

分别为u₁（t），u₂（t），i₁（t），i₂（t）的基波幅值向量；R_AC为副边整流侧等效阻抗。

1.2 电容调制原理分析

根据上节分析可知，WPT系统原边直流电源U₁与全桥逆变可以用占空比50%的交流电压U₁代替。根据电流流向以及调制电容C₃与C₄导通、关断情况可将图1拓扑分为4种工作模态，如图2所示。

工作模态1：WPT副边电流正半周，K₅，K₆栅极驱动信号为低电平，电流经D₁，D₄给负载R_L和电容C_O供电，工作模态等效电路如图2a所示。

工作模态2：WPT副边电流负半周，K₅，K₆栅极驱动信号为低电平，电流经D₂，D₃给负载R_L和电容C_O供电，工作模态等效电路如图2b所示。

工作模态3：WPT副边电流正半周，K₅，K₆栅极驱动信号为高电平，电流在C₃上方节点分流，一部分经D₁，D₄给负载R_L和电容C_O供电，一部分给调制电容C₃充电，电流在D₄阳极汇流后流入LCT，形成闭合回路，工作模态等效电路如图2c所示。

工作模态4：WPT副边电流负半周，K₅，K₆栅极驱动信号为高电平，电流在C₄上方节点分流，一部分经D₂，D₃给负载R_L和电容C_O供电，一部分给调制电容C₄充电，电流在D₂阳极汇流后流入LCT，形成闭合回路，工作模态等效电路如图2d所示。

根据4种工作模态分析可知：当K₅，K₆栅极驱动信号为低电平时，副边为常见的全桥整流电路；当K₅，K₆栅极驱动信号为高电平时，副边在全桥整流电路基础上增加了两个共源级接地的低端驱动MOS管K₅，K₆和调制电容C₃，C₄。在电流正半周流经调制电容C₃，在电流负半周流经调制电容C₄，电流正、负半周均只流经一个调制电容。忽略整流二极管的正向导通电阻，又因式（2）知副边整流侧可用交流阻抗R_AC代替，因此图1的等效FHA模型如图3所示。

图3中，当开关K关断时，原、副边拓扑为串/串（S/S）结构；当开关K导通时，原、副边拓扑为串/串并（S/SP）结构。调制电容C_d大小等于图1中的C₃（C₄），在FHA系统中角频率ω=2πf，f为逆变器开关频率，忽略L₁，L₂的线圈内阻，有如下公式：

（3）

${Z}_{11}=j(\omega {L}_{1}-1/\omega {C}_{1})$

（4）

${Z}_{22}={R}_{AC}+j(\omega {L}_{2}-1/\omega {C}_{2})$

（5）

${Z}_{222}=j(\omega {L}_{2}-1/\omega {C}_{2})+\frac{1}{\frac{1}{{R}_{AC}}+j\omega {C}_{d}}$

式中：Z₁₁为WPT系统原边等效阻抗；Z₂₂为开关K断开时副边等效阻抗；Z₂₂₂为开关K导通时副边等效阻抗。

式（5）化简得：

（6）

${Z}_{222}=\frac{{R}_{AC}}{1+{\omega }^{2}{C}_{d}^{2}{R}_{AC}^{2}}+j(\frac{{\omega }^{2}{L}_{2}{C}_{2}-1}{\omega {C}_{2}}-\frac{\omega {C}_{d}{R}_{AC}^{2}}{1+{\omega }^{2}{C}_{d}^{2}{R}_{AC}^{2}})$

WPT系统副边折算到原边的反射阻抗：

（7）

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{22}^{\text{'}}=\frac{{\left(\omega M\right)}^{2}}{{Z}_{22}}\\ {Z}_{222}^{\text{'}}=\frac{{\left(\omega M\right)}^{2}}{{Z}_{222}}\end{array}\right.$

式中：

${Z}_{22}^{\text{'}}$

，

${Z}_{222}^{\text{'}}$

分别为副边未调制时反射阻抗、副边调制时反射阻抗。

根据式（3）、式（4）、式（6）、式（7）可知：

（8）

$\left\{\begin{array}{l}{I}_{1}=\frac{{U}_{1}}{{Z}_{11}+{Z}_{22}^{\text{'}}}\\ {I}_{1}^{\text{'}}=\frac{{U}_{1}}{{Z}_{11}+{Z}_{222}^{\text{'}}}\end{array}\right.$

式中：I₁，

${I}_{1}^{\text{'}}$

分别为副边未调制时原边电流基波幅值向量、副边调制时原边电流基波幅值向量。

将式（4）、式（6）、式（8）进行Matlab作图分析，如图4、图5所示。

Matlab计算参数如下：L₁=L₂=78.5 μH，M=30 μH，C₁=C₂=32.5 nF，C_d=2 nF，R_L=40 Ω，U₁=48 V。下文Simulink仿真参数与之相同。

根据图4、图5可知，调制电容C_d接入时副边阻抗相较于断开时会有微小变化且可以反映到原边电流上。通过电流互感器获取原边电流，对原边电流提取包络线进行ASK解调即可还原通信信号，完成副边到原边的通信。由图5亦知，在载波频率100 kHz左右，两条曲线相交，此时调制与否原边电流幅值不变，在解调过程中信噪比太低会造成误解调。为保证副边到原边的正常通信，在调节过程中应跳过此频段。

2 ASK解调电路分析

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由于电容调制信号是作为调制波加载到功率载波上的，因此信号的提取需要一系列的解调过程^[15]。传统的ASK解调电路（如图6所示）具有解调精度低、抗干扰能力差以及频率变动时需要人为改变比较值等缺点。因此，本文对ASK解调电路进行优化设计，如图7所示。实验证明，该ASK解调电路在工程上更加实用。

WPT系统原边电流互感器采集到的电流信号经全桥二极管包络检波器、二阶低通滤波、隔直电容、同相比例放大器，最后经过滞回比较器还原调制信号。

图7中整流桥D₁~D₄、电阻R_d和R₁、电容C₁组成全桥二极管包络检波器，电阻R_d的作用是将电流互感器采集到的电流信号转换为电压信号，下文将该电阻称为电压转换电阻。电阻R₁和电容C₁同时具备低通滤波的功能。全桥二极管包络检波器与单个二极管相比，可以提高检波精度和抗干扰能力。全桥二极管包络检波利用多个二极管的特性，通过比较不同二极管的输出，可以减小非线性失真和温漂的影响，提高2倍甚至更高的精度。

电阻R₂和R₃、电容C₂和C₃及运算放大器AMP₁组成二阶有源低通滤波器，同时具有电压跟随器的功能，其截止频率为

（9）

${f}_{AMP}=\frac{1}{2\pi \sqrt{{R}_{2}{R}_{3}{C}_{2}{C}_{3}}}$

由于WPT系统开关频率为85~140 kHz，调制频率为2~5 kHz，因此低通滤波器的截止频率f_AMP应略大于调制频率。本文选用R₂=R₃=10 kΩ，C₂= C₃=2 200 pF，求得截止频率f_AMP为7.2 kHz。

二阶有源低通滤波之后的信号经过一个0.1~1 μF之间的隔直电容，去除叠加在调制信号上的直流量^[16]。此时调制信号的幅值非常小，为了便于后级电路处理，对隔直电容之后的信号进行放大。本文选用同相比例放大器，放大倍数为1+R₅/R₆。

为提高解调电路的抗干扰能力，放大之后的信号经过一个滞回比较器，滞回区间为

（10）

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{h}={R}_{8}{U}_{ref}/({R}_{8}+{R}_{9})+{R}_{9}{U}_{oh}/({R}_{8}+{R}_{9})\\ {U}_{l}={R}_{8}{U}_{ref}/({R}_{8}+{R}_{9})+{R}_{9}{U}_{ol}/({R}_{8}+{R}_{9})\end{array}\right.$

式中：U_oh，U_ol分别为运算放大器正、负供电电压；U_ref为参考电压。

由于在前级电路经过了隔直电容，因此，此时滞回比较器的参考电压U_ref为0，式（10）化简可得：

（11）

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{h}={R}_{9}{U}_{oh}/({R}_{8}+{R}_{9})\\ {U}_{l}={R}_{9}{U}_{ol}/({R}_{8}+{R}_{9})\end{array}\right.$

对基于ASK调制的WPT系统进行Simulink仿真验证，波形如图8、图9所示。图8为调制频率为2 kHz时的仿真波形，图9为调制频率为5 kHz时的仿真波形。图8a为原边电流波形和两个调制电容接入时的电压波形，波形频率均为逆变器开关频率，由图可知两个调制电容在原边电流的正、负半周分别导通，且导通时两端电压为负载两端电压。图8b和图8c为ASK解调波形，波形从上往下依次为：电压转换电阻R_d两端电压波形；二阶低通滤波器AMP₁输出波形；隔直电容C_d之后波形；比较器AMP₃输出波形以及副边发出的调制信号TZ波形。由于解调电路存在RC延迟，因此比较器输出波形前面一段不存在解调波形，副边调制信号为频率2 kHz的随机信号。图9波形名称从上往下与图8b、图8c相同，副边调制频率为频率5 kHz的随机信号。从图中可以看出，该解调方法可以还原通信信号，完成副边到原边的通信。

3 实验结果与分析

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通过对上述电容调制的WPT系统原理和ASK解调电路分析，对整个系统进行参数设计。其硬件实际参数如下：输入直流电压48 V；开关频率85~140 kHz，调制频率2~5 kHz；距离20 mm下，发射线圈L₁=78.5 μH，接收线圈L₂=79 μH，互感M=30 μH；原、副边补偿电容C₁=C₂=32.5 nF；调制电容C₃=C₄=2 nF；主控芯片选用国产的，型号为MM32 F103C8T6；电流互感器变比为1∶20；示波器选用GWINSTEK GDS-1104R。基于上述参数搭建实验平台，如图10所示。

图11a为ASK解调电路中二阶低通滤波AMP₁输出波形与滞回比较器AMP₃输出波形对比，上方为二阶低通滤波后波形，下方为解调之后波形；图11b为副边调制信号TZ与解调AMP₃输出波形对比，上方为接收端电容调制发送信号，下方为发射端解调信号。由图11b可以看出解调波形相较于调制波形存在RC延迟并可以还原调制波形，完成副边到原边的通信。

4 结论

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设计了一种电容调制的无线充电系统来完成副边到原边的通信。调制电容的开关为一对共源级接地的MOSFET，避免增加自举电路来驱动开关器件。当调制电容断开时，原、副边拓扑为串/串（S/S）结构；当调制电容接入时，原、副边拓扑为串/串并（S/SP）结构。电容投切造成副边阻抗的变化可以反映到原边电流上，通过对原边电流解调即可还原通信信号。为提高ASK解调的精度及抗干扰能力，对ASK解调电路进行改进，包括电流互感器获取原边电流、全桥二极管包络检波电路、二阶有源低通滤波电路、隔直电容、同相比例放大电路及滞回比较器。通过仿真和实验，验证了整个系统的可行性，可以在100 W的功率传输下，准确地解调出调制信号，实现副边到原边的通信。

基金

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中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(PA2022GDGP0032)

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2024年第54卷第9期

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doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd25200

接收时间：2023-06-25
首发时间：2025-11-05
出版时间：2024-09-20

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收稿日期：2023-06-25
修回日期：2023-07-10

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合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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