0引言
感应耦合电能传输(ICPT)作为一种新型的无线电能传
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输技术，克服了传统的通过导线传输电能所带来的安全隐
患和功能上的局限[1]。然而在很多实际应用中，不仅要满足电能的传输要求，同时还要实现信号的实时传输。例如，在
石油钻井、内置式医疗电子装置等特殊应用环境中，在完
成能量传递的同时，不仅需要由原边不断向副边发送控制
指令，还需要将副边监测到的信息实时地反馈到原边。
在以往的众多关于ICPT系统信号传输研究中，经
常采用额外增设一对信号耦合线圈，使信号和能量分开
传输，不仅增加了系统设计的复杂度，还存在能量线圈
与信号线圈之间相互干扰的问题。或者只研究了信号从
系统原边向副边传输或副边向原边传输的单向传输方式[2-8]。现有的信号由原边向副边传输的方法多采用在系统主电路增设开关器件，当开关断开时，只能依靠电路中电感电容储存能量给后级供电。传输速度较慢，且只能工作在小功率的情况下。
本文针对ICPT系统中的信号全双工传输问题，提出一种通过选通开关选择不同幅值输入电压进行信号正向传输，调节副边补偿电容进行信号反向传输的方法，不仅大大提高了传输的速率，而且实现了信号的全双工传输。1系统结构及传输原理
1.1信号调制原理
图1所示为ICPT系统原理图。系统可分为初级回路和次级回路。初级回路通过变换器把直流电压逆变为高频交流电压，在原边产生交变磁场耦合到副边，副边感应出电动势，经过补偿以及整流滤波后给负载提供电能。
典型的全桥逆变SP(电容在电路中初级串联，次级
感应耦合系统中信号全双工传输研究∗
韩齐，刘松阳，张立娟，赵全明
(河北工业大学电子信息工程学院，天津300401)
摘要：为解决在一些非接触电能传输过程中，信号只能单向传输或半双工传输，不能实现信号控制和反馈实时交互的问题，针对感应耦合电能传输(ICPT)系统中的信号全双工传输问题，提出一种通过选通开关改变输入电压幅值进行信号正向传输，调节副边补偿电容进行信号反向传输的方法。分析了输入电压幅值变化对副边电流以及副边补偿电容改变对原边电流的影响，并采用Simulink、Simplorer和Maxwell联合仿真得到输入电压与副边补偿电容同时变化时原副边电流包络信息，仿真结果验证了信号全双工传输的可行性。
关键词：感应耦合电能传输系统；全双工；电流包络；联合仿真
中图分类号:TM743文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173706
中文引用格式：韩齐，刘松阳，张立娟，等.感应耦合系统中信号全双工传输研究[J].电子技术应用,2018,44(7):147-150.英文引用格式:Han Qi,Liu Songyang,Zhang Lijuan,et al.Analysis and simulation of signal full-duplex transmission in ICPT system[J].Application of Electronic Technique,2018,44(7):147-150.
Analysis and simulation of signal full-duplex transmission in ICPT system
Han Qi,Liu Songyang,Zhang Lijuan,Zhao Quanming
(School of Electronic Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin300401,China)
Abstract:In order to solve the problem that the signal can only be transmitted in one direction or half duplex during some non-contact power transmission,and it can not realize the problem of real-time interaction between signal control and feedback,accord⁃ing to the problem of signal full-duplex transmission in the inductive coupling system,a method is propod by changing the input voltage amplitude to forward the signal transmission and adjusting the condary compensation capacitor to rever the signal trans⁃mission.In this paper,the influence of the change of the input voltage amplitude on the condary current is analyzed and the in⁃fluence of the change of the condary capacitor on the primary current is analyzed.Simulink,Simplorer and Maxwell were ud to obtain the primary and condary current envelope when the input voltage changes with the condary compensation capacitor at the same time.The simulation results verify the feasibility of signal full-duplex transmission.
Key words:ICPT system;full-duplex;current envelope;joint simulation
∗基金项目：河北省科技计划项目(15227408D)
图1ICPT 系统原理图
并联)型补偿电路及其等效电路如图2、图3所示。
SP 结构次级阻抗Z S 可写为:Z S =j ω(L S +L 2)+R 2+1
j ωC 2+1/R L
(1)初级回路的阻抗Z P 为:
Z P =j ω(L P +L 1)+R 1+1
j ωC 1
(2)副边线圈到原边的等效反射阻抗Z r 为:
Z r =ω2M
2
Z S
(3)
根据基尔霍夫电压定律，列写回路方程:
V in
0[]=Z P
-j ωM -j ωM
Z S
[]I P
I S
[]
初级回路总电流I P 为:
I P =Z S
Z P Z S +ω2M 2
V in
(4)次级回路总电流I S 为:
I S =
j ωM Z P Z S +ω2M 2
V in (5)分别将式(3)带入式(4)、式(5)，得到:I P =V in
Z P +Z r
(6)I S =j ωMI P
Z S
(7)
原则英语
在原副边电路参数一定的情况下，由式(5)可知，仅改变输入电压V in 会改变次级电流I S 的大小。由式(1)、式(3)、式(6)可知，改变C 2容值，将改变副边线圈对原边
的反射阻抗Z r
P 的大小。
因此，可以选择合适的输入电压V in 和调节电容C 9，根据不同数字信号“0”或“1”来调节选通开关和副边补偿电容，设定次级向初级传输速度是初级向次级传输速度的两倍。由式(4)、式(5)可知，在初次级电路参数不发生改变的情况下，改变输入电压V in ，初次级电流I P 、I S 均会改变。当C 2容值改变时，原边电流幅值I P 变化比较大，副边电流幅值I S 变化非常小。因此，在原副边电流由于除自身变化引起的幅值变化外，还有另外一侧变化对其产生影响，因此在原副边都会产生四种幅值不同的电流。通过检测原副边电流幅值的包络特征来进行信号的解调，从而实现信号全双工传输。1.2原副边调制电路
根据以上推导，分别在ICPT 系统的原副边增加信
号调制机构。如图4所示，原边调制部分主要由boost 升压电路和选通开关S1、S2组成。传送数字信号“0”时，选通开关S2导通，直接获取电源电压。传送数字信号
“1”时，选通开关S1导通，获取经boost 升压之后的电压。通过选取不同的电源电压幅值，从而获得幅值不同的次级电流幅值。如图5所示，副边调制部分主要由共E 极反串联式开关S3和调制电容C 9组成。传送数字信号“0”时，开关管S3关闭，次级补偿电容为C 2，系统处于正常的谐振状态。传送数字信号“1”时，开关管S3导通，次级补偿电容变为C 2+C 9，反射到原边的阻抗将改
变，从而改变原边的电流幅值。对原副边电流的幅值包
络进行解调，就得到传输的数字信号。
图2典型的全桥逆变SP 型补偿电路
图3SP 型补偿电路等效电路
图4原边调制电路
图5副边调制电路
图8全桥逆变SP 型补偿仿真电
challenge用法
路
图7变压器3D 模型
表1磁芯尺寸
(mm)
内磁桶外磁桶
内径
88
202外径98
212高度110110
斡旋的意思
松耦合变压器是感应耦合式电能传输系统的核心组成部分。由于松耦合变压器初次级线圈之间存在较大气隙，漏磁明显，导致能量传输能力和效率较低。为了减少漏磁，改善系统传输性能，提高传输效率，本文采用了一种桶形变压器。在Maxwell 中建立桶形变压器2D 、3D 模型如图6、图7所示。
磁芯采用PC40，内磁桶为变压器原边，采用20匝线圈紧贴内磁桶外壁缠绕；外磁桶为变压器副边，采用21匝线圈紧贴外磁桶内壁缠绕。磁芯尺寸如表1所示。agon
3Simulink ,Simplorer ,Maxwell 联合仿真
采用Simulink 产生两路互补的PWM 波控制全桥逆变器的相互导通，仿真中直接选用两路不同幅值电源电
压，随机产生数字信号“0”“1”控制原边选通开关S1、S2和共E 极反串联式开关S3，将Maxwell 中变压器模型导入到Simplorer 中，对全桥逆变SP 型补偿电路进行整体仿真分析。仿真电路如图8所示。仿真电路具体参数如表2。
根据S1、S2的选通频率可得初级向次级每400μs 传递一位数字信号，图9所示为初级全桥逆变器之后的电压电流波形。从电压包络可以看出，初级所要传输的信号为“1011111”。图10所示为次级电流，根据其包络特征，可得次级线圈拾取到从原边向副边传递的数字信号为“1011111”。
根据S3的选通频率可得初级向次级每200μs 传递一位数字信号，图11所示为调节电容C 9的电压波形，从
图6变压器2D 模型
表2仿真电路参数表
仿真器件直流电源E1/V 直流电源E2/V
原边谐振电容C 1/μF 原边电感L p /μH 端部漏感L 1,L 2/μH 原边等效电阻R 1/Ω原边选通开关频率/kHz 副边调制开关频率/kHz 逆变器开关频率/kHz 副边谐振电容C 2/μF 副边电感L s /μH
副边等效电阻R 2/Ω副边调制电容C 9/μF 互感M /μH 负载阻值R L /Ω原边电容C 8/μF
仿真数值60350.5615020.22.55
20
0.322100.20.14905010
电压包络可以看出次级所要传输的信号为“10111111011101”。图12所示为初级电流，根据其包络特征，
可得副边向原边传递的数字信号为“10111111011101”。
以上仿真结果表明，通过电流幅值可以准确地解调信号，该方法可以实现感应耦合电能传输系统中的信号
unfo全双工传输。
4结论
本文通过对感应耦合式电能传输系统输入电压幅值和副边补偿变化对系统电流幅值产生的影响进行分析。针对ICPT 系统中的信号全双工传输问题，提出一种通过选通开关选择不同幅值输入电压进行信号正向传输，调节副边补偿电容进行信号反向传输的方法。进行了系统仿真，验证了方法的可行性。该方法为ICPT 系统中信号全双工传输提供了一种新的方法，解决了非接
climate怎么读触电能传输过程中控制信号和反馈信号实时交互的问题，有很好的实用价值和应用前景。参考文献
[1]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报,2015,35(10):2584-2600.
[2]周锦锋，孙跃，苏玉刚.感应耦合电能与信号同步传输技术研究[J].重庆工学院学报,2009(4):12-17.
[3]刘洋，王智慧，孙跃.ICPT 系统中信号反向传输技术机理研究[J].电工电能新技术,2014(4):6-10.
[4]KURSCHNER D ,RATHGE C.Design methodology for high
efficient inductive power transfer systems with high coil positioning flexibility[J].Industrial Electronics ,2013,60(1):372-381.
[5]周雯琪，马皓，何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术学报,2009,24(1):133-139.
[6]程志远，朱春波，魏国，等.串-并补偿结构大功率感应充电系统谐振变换器[J].电工技术学报,2014,29(9):44-48.[7]AUVIGNE C ,GERMANO P.A dual-topology ICPT applied
to an electric vehicle battery charger[C].2012XXth Inter-national Conference on Electrical Machines(ICEM),2012:2287-2292.
[8]Wang Xiaoding ,Han Jun ,Wang Guanyu ,et al.Experimental
study on the CPT system for the underwater helicopter[C].OCEANS2016,2016.
[9]YU C L ,LU R G ,SU C H ,et al.Study on wireless energy
and data transmission for long-range projectile[J].IEEE Transactions on Plasma Science ,2013,41(5):1370-1375.
[10]苏玉刚，吴学颖，刘波.宽温度范围下感应耦合电能传输系统软开关技术[J].电工技术学报,2017(6):175-182.
[11]陈新，张桂香.电磁感应无线充电的联合仿真研究[J].
英语陪同翻译
电子测量与仪器学报,2014(4):434-440.
(收稿日期:2017-08-24)
作者简介院中文谐音
韩齐(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：智能信息处理。
刘松阳(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：智能信息处理。
赵全明(1968-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：智能信息处理，微波电路设计,E-mail :389130176@qq.
com
。
图9初级全桥逆变器后电压电流波
形
图10次级电流波形
图12初级电流波
a reason形
图11调节电容C 9电压波形
