摘要：无线功率传输（WPT）系统的闭环控制需要功率发射器和功率接收器之间的通信链路，以进行双边协作。由于高可靠性和安全性，利用电力链路的近场通信技术是优选的。在本文中，我们提出了一种用于WPT闭环最大效率点跟踪（MEPT）控制的调频相移键控（FMPSK）通信技术。该技术使用非常浅的相位调制深度来最小化对功率流的干扰，并减少PSK引起的效率下降。同时，通过多种方法和精确的频率调制解调，保证了信号的准确性和精度。在实验中，我们在与线圈直径相等的距离上使用25–125 W的负载获得了82%–85%的系统效率，在与线圈半径相等的距离内获得了93%的效率。FMPSK导致的效率下降小于1%。

关键词：近距离通信；移相控制；无线电能传输；

引言

      功率调节和效率最大化是无线功率传输（WPT）系统闭环控制中的两个关键问题。在过去十年中，研究人员提出了各种最大效率点跟踪（MEPT）控制策略，以同时调节输出功率/电压，并在各种操作条件下最大化WPT系统的能量效率。这些策略包括双侧DC/DC 转换[1]、双侧相移[2]、ON-OFF键控[3]、Δ∑脉冲密度调制（Δ∑PDM）[4]等。这些策略中的大多数需要电力发射器和电力接收器之间的通信链路，以实现双侧协作。例如，在[1]–[3]中，蓝牙等远场通信技术被用作反馈信道。然而，远场通信由于其不确定的延迟、中断和安全问题而遭受操作场中的电磁干扰，并降低了电力传输的可靠性。或者，近场通信在WPT系统的闭环控制中更有前途。报道的WPT近场通信技术包括附加电感链路[5]、[6]、频分复用[7]-[10]、幅移键控（ASK）[11]-[13]和相移键控[14]、[15]。一个额外的感应链路在两个传感器之间建立了一个单独的近场通信信道附加的感应链路在功率发射器和功率接收器之间建立单独的近场通信信道。功率和数据之间的串扰干扰可以通过陷波器和链路耦合器的空间优化来最小化[6]。然而，附加的感应链路和相关的调制和解调电路增加了系统的复杂性和成本。频分复用利用功率传输链路实现更高的完整性。它将通信数据调制成具有不同于电源频率的频率的数据载波。然后，载波由一个小变压器注入一侧的电力链路，并由另一个变压器从另一侧拾取。载波调制方法包括幅度调制[7]和相位调制[9]。后者可能具有更高的信噪比[9]。尽管使用了电力链路，频分复用仍然需要额外的ASK和PSK在硬件上更加紧凑，因为它们将电力链路中的谐振电流作为数据载体。ASK将数据调制成电流幅度，而PSK将数据调整成电流相位。这两种调制都会移动电力接收器的交流等效负载，因此，这些技术有时被称为负载移动键控（LSK）。可以通过现有的功率转换级（例如，有源整流器[11]或级联dc/dc转换器[12]）来实现移位，以降低硬件成本。理论上，ASK需要比PSK更大的偏移，即更深的调制，因为电流幅度对来自耦合变化、负载变化和功率调节的干扰敏感。深度调制可能会对功率流造成较大的干扰，从而导致显著的功率波动和效率下降。从这个角度来看，PSK更适合于效率至关重要的WPT系统。然而，现有的PSK技术主要针对高数据速率，并没有将对电力流的干扰降至最低。

      为了填补这一空白，我们提出了一种用于高效WPT的调频（FM）PSK技术。FMPSK使用非常浅的相位调制，同时通过以下多种方法确保信号精度：

1）使用Δ∑PDM ZVS全桥转换器[4]进行软开关和低电流谐波；

2） 使用快速过零检测器（ZCD）和数字锁相环（PLL）来检测小的相移；

3） 对检测到的相移角进行滤波以克服来自相移转变的干扰。此外，通过精确的频率调制和解调确保了高信号精度。然后将FMPSK应用于WPT系统，用于闭环MEPT控制。

1 FMPSK

      所提出的FMPSK通信技术基于WPT系统中耦合谐振槽的阻抗特性。逆变器输出电压u1、整流器输入电压U2和谐振电流IL1和L2的稳态基波相量U1、U2、IL1和IL2满足：

      其中，ω是角基本开关频率，M是互感，L1、C1、和R1、分别是谐振电感、电容和等效串联电阻（ESR）。如果角共振频率相等。ω和ESR被忽略，（1）可以近似为。

      这种相位关系几乎与耦合和负载条件无关。它可用于从电力接收器向电力发射器发送通信信号[16]。然而，通信信号不能直接用α1和α2的大小来表示，因为1）谐振频率偏差和ESR可能会给（5）带来误差，2）α1和β2的剧烈变化可能会对电力流造成较大干扰。实际上，FMPSK在π和π–Δα之间移动α2，导致α1在0和Δα之间移位，其中Δα是一个很小的角度，可以通过控制器时钟周期检测到。

      移位周期，即TPSK，是表示通信信号的变量，信号分辨率δ取决于TPSK的范围，由下式给出：

      其中Ts=2π/ω是基本开关周期。由于信号每TPSK更新一次，以kb/s为单位测量的等效数据速率为：

      为了确保信号精度，TPSK应该足够长以克服由相移转变引起的符号间干扰。考虑到WPT动态行为[17]，[18]，TPSKminis的可行范围：

1.1MEPT控制

      WPT系统的传输功率为：

      其中M|、IL1|、|IL2|是通过磁耦合器传输的功率[19]，R1、|IL1|、和|IL2|是ESR损耗。电流幅值比为：

      那么，等式（11）可以表达为：

      其中k为耦合系数，Q1,Q2为品质因数。

      在WPT系统中，通常fom>>1，所以（15）可以近似为：

      由（2）和（17），可以得知将交流电压控制为：

      则图1中的PDM全桥逆变器和整流器可以表示为：

      其中v1和v2是直流电压，d1和d2分别是逆变器和整流器的脉冲密度[4]。根据（18）和（19），d1和d2的比值应该表示为：

      对于特定的WPT系统，v1、v2和R1/R2通常是固定的，因此，d1仅取决于d2。后者可由功率接收器侧控制器确定，并由所提出的FMPSK方法发送到功率发射器。

1.2系统设计

     总体系统设计，在功率接收器侧，比例积分控制器通过Δ∑PDM[4]调节整流器脉冲密度d2来调节输出直流电压v2。d2也被用作PSK频率调制器的输入，PSK频率调节器将PSK周期确定为 ：

      调制器输出为α2。它在π和π–Δα之间移动，周期为TPSK。移相器通过α2在引线pulsesp2处产生脉冲s2，其中p2通过模拟ZCD和数字PLL在L2内同步，c2用作Δ∑PDM的输入脉冲，以使u2通过α2。预先设置p2的附加相位调整，以补偿ZCD和PLL的信号传播延迟，确保p2在L2内同相。在功率变送器侧，通过检测脉冲esp1和脉冲esc1之间的相位差来测量α1，其中p1由另一对ZCD和PLL在L1内同步，c1以固定频率ω独立产生，并用作逆变器Δ∑PDM的输入脉冲。对测量的α1进行进一步滤波，以克服来自相移跃迁的干扰。PSK频率解调器解调α1以获得TPSK，d2可以表示为：

      在恢复的基础上，根据（20）推导出控制逆变器的公式。此外，d1由一阶数字滤波器平滑，时间常数为TPSK的几倍，以确保系统的稳定性。

2 实验验证

2.1原型描述

       谐振器由46 AWG绞合线、3-D打印线圈架和高Q陶瓷电容器制成。逆变器和整流器在[4]中使用了具有Δ∑PDM逻辑和ZVS拓扑的GaN器件，以确保软开关。主电路被设计为对称的，因此，（20）被简化为d1＝d2。双方的控制分别在两个FPGA板上实现。PSK角Δα设为2×（2π×1 M H z）×10ns=7.2°按照（6）的要求。PSK周期的范围设置为[0.75 ms，1.25 ms]，因此根据（7），通信信号分辨率为0.2%，根据（8），等效数据速率为7.17–11.95 kb/s。

2.2工作波形

       根据该设计，该系统在30cm的功率传输距离处提供其最大功率，这对应于0.03的耦合系数。在这种情况下，显示了125W负载的稳态工作波形。PSK周期为0.8ms，根据（22），这意味着td1=d2=0.9。在PSK下，电流大小几乎恒定，表明PSK对电力流的干扰很小。通过两侧放大的波形也验证了软切换。没有发现在发送和接收的FMPSK信号之间存在约40μs的延迟。这种延迟是由相移转变和PLL动态引起的。我们将TPSK设置得比延迟长得多，以避免任何符号间干扰。

      为了说明MEPT过程，显示了负载从50Ω阶跃至33.3Ω后谐振电流iL1、iL2和输出直流电压v2a的动态波形。v2由功率接收器侧控制器在1毫秒内恢复。然后，如果没有MEPT控制，则iL1和L2的幅值不会改变，从而留下较差的幅值比和较低的效率（80%）。相反，如果采用MEPT控制，则电流幅值比逐渐优化，在MEPT持续时间（约10ms）后获得高效率（84%）。

2.3效率估计

       MEPT将效率提高了4%。增量取决于操作条件，如耦合系数、输出功率和逆变器脉冲密度。为了进行更全面的效率评估，在不同耦合和负载条件下，使用和不使用MEPT的效率。在没有MEPT，逆变器脉冲密度1固定为1以最大化功率传输容量，整流器脉冲密度2用于将输出电压调节至50V。这些结果表明，在弱耦合和轻负载的情况下，效率增加更显著。此外，当k=0.1时，硬件V A额定值将输出功率限制在50 W，因为原型设计为在k=0.03时提供最大功率。

2.4和其他PSK的对比

      报告的WPT的PSK技术，并将其与两种建议的FMPSK技术进行了比较：1）通信数据速率，以及2）PSK导致的效率下降。如表所示，FMPSK具有较低的数据速率，但比实验中的测量误差（1%）降低了效率下降。因此，它更适合于WPT系统的MEPT控制。

3 结论

      我们提出了一种用于WPT系统MEPT控制的FMPSK通信技术。该技术的特点是硬件实现紧凑，对电流的干扰小。实验结果表明，使用FMPSK的MEPT控制在30 cm的距离上以25–125 W的负载实现了82%–85%的系统效率，这等于线圈直径，在15 cm的距离内以25–50 W的负载达到了93%的效率，这与线圈半径相等。在所有测试操作条件下，FMPSK导致的效率下降小于1%。FMPSK的数据率不高，但足以用于MEPT控制。实验证明，样机在1ms内恢复了输出电压，并在负载步进后约10ms内跟踪到最大效率点。据作者所知，这是MEPT响应的最快速度。