CN104362770B - Ecpt中的能量信号并行传输电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，电路的原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及一对发射电极，副边部分包括一对接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其特征在于：在调谐电路与一个发射电极之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，信号加载电路向发射电极上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。其效果是，在ECPT系统中利用无线能量传输通道实现了宽频率带宽范围下的信号传输，提升信号传输速率。

Description

ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电场耦合无线电能传输(Electric-field Coupled PowerTransfer，ECPT)技术，尤其涉及一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)实现了电源到负载的无线供电，摆脱了直接电接触对设备的束缚。电场耦合无线电能传输技术以其轻便、低辐射、耦合机构多样等优点成为无线电能传输领域新的研究热点，系统的电路拓扑如图1所示。国内外专家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模集成电路，无线充电器及电动汽车等诸多应用领域展开研究。

目前ECPT系统设计更关注电能的无线传输，但在很多应用领域中不仅需要能量的无线传输，还需要实现能量与信号的并行传输。国内外学者已围绕WPT系统的能量信号并行传输展开研究，但主要集中于ICPT系统。由于ICPT系统与ECPT系统的区别，需要对ECPT系统进行重新分析，针对系统特性设计合适的能量并行传递方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明对ECPT系统的信道进行建模分析，提出了一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，该电路基于方波载波占空比键控进行信号调制，并利用无线电能传输电路所构成的信道，实现了宽频率带宽范围下的信号传输，提升信号传输速率，降低信源开关频率，简化信号解调电路，具体的技术方案如下：

一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其关键在于：在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。

为了减少原边开关管的数量并保证无线电能传输效率，所述高频逆变电路为E类放大电路，所述调谐电路为CLC调谐电路。

为了便于实现方波信号的加载，所述信号加载电路包括一直流源、第一开关管和第二开关管，直流源的低电平端连接在调谐电路的一个输出端上，同时该直流源的低电平端串接第一开关管后与发射电极B相连，直流源的高电平端串接第二开关管后也与所述发射电极B相连，所述第一开关管和第二开关管在驱动电路的驱动下开关状态相反。

为了将信号序列调制为方波占空比信号，所述驱动电路连接有FPGA调制电路，该FPGA调制电路根据信号序列输出对应占空比的开关驱动信号。

为了简化信号解调电路，所述信号拾取电路采用双耦合电容信道结构，一对耦合电容实现能量的传输和提取，另一对耦合电容采用极小容值以实现在信号传输和提取的同时减少对能量传递的影响。

结合上述电路结构，本发明还提出一种ECPT中的能量信号并行传输电路的控制方法，其关键在于：

在原边部分，调制电路按照一一映射关系将信号序列调制为对应占空比的方波信号加载到发射电极B上；

在副边部分，信号拾取电路从接收电极上提取上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖峰间隔与信号周期的比例解调出对应的信号序列。

作为优选，原边部分加载的方波信号频率为1kHz-2MHz之间。

本发明的显著效果是：

本发明针对目前WPT系统能量信号并行传输所存在的信道频带及传输速率有限，且多应用于小功率场合等问题提出了ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，以方波信号为信号载波，根据信号序列将载波调制成占空比不同的方波载波信号，实现信号调制，可以通过半桥电路为信源将信号调制进能量通道，实现从原边到副边的单通道传输；在副边通过检测上尖脉峰与下尖脉峰，将脉冲信号转化为方波信号，再根据方波占空比解调出信号序列，拓宽了信道带宽；采用多进制编码提升了信号传输速率、降低了信源开关频率；通过改进耦合机构，简化了解调电路。

附图说明

图1是ECPT电路系统的拓扑结构图；

图2是本发明信号加载电路的电路原理框图；

图3是图2的信道等效电路图；

图4是信道的频率响应Bode图；

图5是方波载波输入波形与输出电压波形图；

图6是具体实施例中信号加载电路的电路原理图；

图7是信号拾取耦合机的构改进示意图

图8是双耦合电容结构的电路原理图；

图9是ECPT系统能量测试波形图；

图10是不同载波频率下系统测试波形图；

图11是同一频率下不同占空比的系统测试波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1，图2所示，一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，在本例中，图中所示电源电路为Vin，高频逆变电路是由电感L和开关元件S构建的E类放大电路实现的，调谐电路是由电容C_N1、电感L_N以及电容C_N2构建的CLC调谐电路，为了实现ECPT系统中能量与信号的并行传输，在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号调制电路，在副边部分设置有信号解调电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。

在ECPT传输能量的通路中传输信号，信道对信号的衰减特性将直接影响信号传输质量。故对信道的特性分析极为重要。考虑电路中的元器件均为理想器件，将直流源内阻视为零。为简化分析，将电路中的整流滤波电路及用电负载统一考虑成理想阻性负载R_o。在此前提下开关管S的通断将系统分为两个工作模态，信道的等效电路图如图3所示。

考虑信号电压u₁为信道输入，信道输出为负载电流i_o。于是各模态下的信道模型可表示为

$\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_i=A_i{x}_i+B_{i}u\\ y_i=C_i{x}_i+D_{i}u\end{array},i\∈\[1,2\]$

S导通：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{1}{R_0{C}_{N2}}& \frac{1}{C_{N2}}& \frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ -\frac{1}{L_N}& 0& 0\\ \frac{1}{R_o{C}_S}& 0& -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right],B_1=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ 0\\ -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right]$

C₁＝[1 0 -1],D₁＝-1

S关断：

$A_2=\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& \frac{1}{C_{N1}}& \frac{1}{C_{N2}}& 0\\ 0& -\frac{1}{R_o{C}_{N2}}& 0& \frac{1}{C_{N2}}& \frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ -\frac{1}{L}& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{L_N}& -\frac{1}{L_N}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{R_o{C}_S}& 0& 0& -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ 0\\ 0\\ -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right]$

C₂＝[0 1 0 0 -1],D₂＝-1

其中，x₁＝[u_CN2，i_LN，u_CS]^T，x₂＝[u_CN1，u_CN2，i_L，i_LN，u_CS]^T。由上述两种模态对应的状态空间方程，以表1中的数据为系统仿真参数，绘制模态1和模态2的信道模型Bode图，得到信道的频域响应特性如图4所示。

表1ECPT电路参数

图4中两种模态下信道的频域响应较为类似。取信道衰减小于5％为无衰减边界，两种模态下信道无衰减的起始角频率ω₁ ^*＝ω₂ ^*＝1.16×10⁷rad/s。为减少信道对信号的衰减作用，选择的信号角频率ω需满足ω>max{ω₁ ^*,ω₂ ^*}。可见该系统的信道频率被限制在较高的频率范围，信道带宽和信号传递速率受限。

为解决信道频带和信号传递速率受限的问题，本节基于ECPT系统给出一种利用方波载波占空比调制方式实现能量与信号并行传输的方法。由于五个状态变量中电流变量i_LN,i_L远小于电压变量u_CN1,u_CN2,u_CS，故状态变量i_LN,i_L可忽略。从而两种模态下的状态空间模型均可简化为

$A_{sim}=\left[\begin{array}{cc}-\frac{1}{R_o{C}_{N2}}& \frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ \frac{1}{R_o{C}_S}& -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right],B_{sim}=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{R_o{C}_{N2}}\\ -\frac{1}{R_o{C}_S}\end{array}\right]$

C_sim＝[1 -1],D_sim＝-1

状态变量为[u_CN2，u_CS]^T。解状态空间表达式可得：

$\frac{d\mathrm{\Δ}u}{dt}+\frac{1}{R_o{C}_{eq}}\mathrm{\Δ}u-\frac{1}{R_o{C}_{eq}}u$

其中

Δu＝u_CN2-u_CS

$\frac{1}{R_o{C}_{eq}}=\frac{1}{R_o{C}_{N2}}+\frac{1}{R_o{C}_S}$

解得

根据上述模型求解，可得出载波为任意占空比时，系统的输出电压波形如图5所示。

图5中，当方波信号通过信道时，系统负载上拾取到的电压u_Ro为正负脉冲信号，正脉冲出现于方波上升沿，负脉冲出现于方波下降沿。于是原边加载的方波信号载波的占空比与副边拾取的上下尖峰间隔和周期之比相等，这一特性即克服了信道的带宽限制。此外若采用多进制编码调制，即将占空比0-1均分为N等分，于是相同的信源开关频率下信号传递速率可提升log₂N倍，或者相同的信号传递速率条件下信源频率降低log₂N倍。

根据上述原理分析，在具体实施过程中，所述信号加载电路按照如7所示的电路结构设计，包括一直流源、第一开关管和第二开关管，直流源的低电平端连接在调谐电路的一个输出端上，同时该直流源的低电平端串接第一开关管后与发射电极B相连，直流源的高电平端串接第二开关管后也与所述发射电极B相连，所述第一开关管和第二开关管在驱动电路的驱动下开关状态相反。

从图6可以看出，由FPGA控制开关S_D1,S_D2的交替导通改变此模块的端电压，将方波载波加载进主回路中，回路双向交流电流通过图6中的a,b回路流经信号加载模块，且双向通路内阻均可视为0，故该模块对能量传递的影响较小。

此外，由可知电阻R_o端电压u_Ro的峰值仅取决于载波即方波信号u_in的峰值，与回路中等效电容(受耦合电容影响)和负载电阻无关；但耦合电容值变小时负载R_o的能量电压波形将衰减。基于这两点实施例中采用双耦合电容方式(如图7所示)，通过一个较小的信号耦合电容C_D将信号传递至R_D同时过滤能量电压波形，实现能量与信号分离。

如图7所示，耦合电容改进后，对双耦合电容信道进行重新建模

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=Ax+{\mathrm{Bu}}_{in}\\ u_{RE}=u_{in}-u_{Ceq}-u_{CE}\\ u_{RD}=u_{in}-u_{Ceq}-u_{CD}\end{array}\right.$

结合实际参数进行运算，得到波形如图8所示，由图中的u_s和u_RD波形可见双耦合机构系统的信道特性与原系统信道的特性类似，仍然保持原系统的特性。而得到R_D上信号电压u_RD后可进一步利用滞回比较器将脉冲信号恢复成含有占空比信息的方波信号。此后通过处理器将信号还原为数字量，即完成信号的解调。

基于上述描述，本发明的核心还在于提出了一种ECPT中的能量信号并行传输电路的控制方法，具体在于：

在原边部分，调制电路按照一一映射关系将信号序列调制为对应占空比的方波信号加载到发射电极B上；

在副边部分，信号拾取电路从接收电极上提取上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖峰间隔与信号周期的比例解调出对应的信号序列。

实施过程中，原边部分加载的方波信号频率为1kHz-2MHz之间。

下面再结合具体实验对本发明的可行性和显著性做进一步说明。

能量传递部分根据图1的ECPT电路拓扑搭建实际电路，系统参数设置如表1所示。图9为ECPT系统的能量实验波形，由图中可以看出，系统工作频率约为259.7kHz。负载为500Ω下负载峰值电压为272V，即拾取功率为73.98W。

信号传递部分的方波载波频率由FPGA产生，通过驱动电路加载于开关管控制端。图10为ECPT系统信号实验波形，取占空比为50％为例，测得系统信号传递速率可达5.6Mbit/s。低频(例如10kHz，一般不低于1kHz)下信号传递状态良好，频率大于2MHz时由于信道特性使得信号传递不理想。同时在低频段可采用多占空比键控的方式调制信号提高信号速率，如图11所示。图中方波载波频率约为1MHz，取占空比0.2和0.8为例，系统信号解调效果较好。

最后需要说明的是，本实施例是以方波信号为信号载波，通过改变载波占空比实现信号调制。以半桥电路为信源将信号调制进能量通道，实现从原边到副边的单通道传输；以脉冲波形为解调波形，拓宽了信道带宽；采用多进制编码提升了信号传输速率、降低了信源开关频率；通过改进耦合机构，简化了信号解调电路；此外该方法对能量传递影响较小。在具体应用过程中，相关技术人员可以根据需要的信号序列，选择不同的参数，可提升信号传递速率，也可降低信源开关频率。比如原边部分只需要向副边部分传输“0”、“1”两种信号，那么可以选择占空比为“0.2”和“0.8”的方波载波对应相应的信号，如果原边部分需要向副边部分传输“00”、“01”、“10”、“11”四种信号，那么可以选择占空比为“0.2”、“0.4”、“0.6”和“0.8”的方波载波对应相应的信号，依次类推，提高信号传输效率。

Claims (7)

1.一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其特征在于：在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。

2.根据权利要求1所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述高频逆变电路为E类放大电路，所述调谐电路为CLC调谐电路。

3.根据权利要求1或2所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述信号加载电路包括一直流源、第一开关管和第二开关管，直流源的低电平端连接在调谐电路的一个输出端上，同时该直流源的低电平端串接第一开关管后与发射电极B相连，直流源的高电平端串接第二开关管后也与所述发射电极B相连，所述第一开关管和第二开关管在驱动电路的驱动下开关状态相反。

4.根据权利要求3所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述驱动电路连接有FPGA调制电路，该FPGA调制电 路根据信号序列输出对应占空比的开关驱动信号。

5.根据权利要求3所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述信号拾取电路采用双耦合电容信道结构。

6.如权利要求1所述的ECPT中的能量信号并行传输电路的控制方法，其特征在于：

在原边部分，调制电路按照一一映射关系将信号序列调制为对应占空比的方波信号加载到发射电极B上；

在副边部分，信号拾取电路从接收电极上提取上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期的比例解调出对应的信号序列。

7.如权利要求6所述的ECPT中的能量信号并行传输电路的控制方法，其特征在于：原边部分加载的方波信号频率为1kHz-2MHz之间。