CN109638983B - 一种基于共享信道的全双工通信icpt系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共享信道的全双工通信ICPT系统，包括电源电路、原边电能谐振电路、副边电能谐振电路和负载电路，原边电能谐振电路中的电能发射线圈的部分绕组作为原边信号传输线圈，在其两端并联有原边信号通道电路，从而构成原边信号谐振电路，副边电能谐振电路中的电能接收线圈的部分绕组作为副边信号传输线圈，在其两端并联有副边信号通道电路，从而构成副边信号谐振电路，原边信号谐振电路和副边信号谐振电路构成的信号谐振网络至少具有两个谐振点，通过本发明公开的系统结构可以使电能传输和信号传输分别工作在相互独立的谐振网络，且部分电能传输网络具有阻波功能，所以信号传输不会影响电能的传输，保证了信号传输和电能传输的质量。

Description

一种基于共享信道的全双工通信ICPT系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体地说，涉及一种基于共享信道的全双工通信ICPT系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是将电能以无线的方式进行传输，相比传统的电缆取电方式，更加安全灵活。目前，WPT技术越来越受到关注，其相关应用也愈加丰富，对其应用研究主要集中在植入式医疗设备、电动汽车、消费电子产品等领域。其中，感应耦合电能传输(ICPT)技术应用最为广泛，利用电磁共振原理实现电能从原边到副边的无线传输，在大功率、适当间距的应用场景中，具有较好的性能。

随着无线电能传输技术研究的深入以及对电能传输品质要求的不断提高，在进行电能无线传输的同时，需要进行原副边的通信，来更好的保障系统的各方面性能。尤其是某些特殊场合，需要原副边的全双工通信，这就对WPT系统的通信提出了更高的要求。实现全双工通信的一种方式是电能与信号分别用不同的通道进行传输，如利用射频技术(如蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等)，或者增设一组独立的线圈来传输信号。但这这些方式会增加系统复杂度和空间尺寸，电磁兼容性也较差，因此如何基于简单的系统结构在实现电能传输的同时实现信号的全双工通信成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于共享信道的全双工通信ICPT系统。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于共享信道的全双工通信ICPT系统，包括能量注入电路、原边电能谐振电路、副边电能谐振电路以及负载电路，所述原边电能谐振电路包括原边电能谐振补偿模块以及与该原边电能谐振补偿模块串联的电能发射线圈，所述电能发射线圈的线圈电感为L_p，所述副边电能谐振电路包括副边电能谐振补偿模块以及与该副边电能谐振补偿模块串联的电能接收线圈，所述电能接收线圈的线圈电感为L_s；

所述电能发射线圈的部分绕组作为原边信号传输线圈，其对应的电感为L_p2，在其两端并联有原边信号通道电路，从而构成原边信号谐振电路，所述电能接收线圈的部分绕组作为副边信号传输线圈，其对应的电感为L_s2，在其两端并联有副边信号通道电路，从而构成副边信号谐振电路，所述原边信号谐振电路和所述副边信号谐振电路构成的信号谐振网络至少具有两个谐振点；

所述原边信号通道电路中设置有原边信号谐振补偿模块、原边信号加载模块和原边信号解调模块，所述副边信号通道电路中设置有副边信号谐振补偿模块、副边信号加载模块和副边信号解调模块。

可选的，所述原边电能谐振补偿模块包括电容C_p，副边电能谐振补偿模块包括电容C_s。

可选的，所述原边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_p3和电容C_p3，以及并联在电感L_p3和电容C_p3串联支路两端上的电容C_p2，所述副边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_s3和电容C_s3，以及并联在电感L_s3和电容C_s3串联支路两端上的电容C_s2。

可选的，所述原边电能谐振电路和所述副边电能谐振电路在谐振点ω_p配合实现电能的正向传输，所述原边信号谐振电路和所述副边信号谐振电路在谐振点ω_f配合实现信号的正向传输，在谐振点ω_r配合实现信号的反向传输，其中：

可选的，所述系统的电子元件参数满足以下条件：

其中，G_f(ω_f)表示正向信号传输增益R_s1为副边信号解调模块的等效电阻，G_r(ω_r)表示反向信号传输增益，R_s2为原边信号解调模块的等效电阻，M_s为原边信号传输线圈和副边信号传输线圈之间的互感。

可选的，所述原边信号传输线圈以及所述副边信号传输线圈满足以下参数设置条件：

可选的，所述能量注入电路包括依次连接的电源电路、滤波电容Cd1以及全桥逆变器。

可选的，在所述负载电路和所述副边电能谐振电路之间还连接有全桥整流器和滤波电容Cd2。

本发明提出了电能与信号传输共享通道的新结构，利用系统磁能耦合机构的部分线圈传输信号，电能传输和信号传输分别工作在相互独立的谐振网络，且部分电能传输网络具有阻波功能，所以信号传输不会影响电能的传输，保证了信号传输和电能传输的质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为ICPT系统的基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于共享信道的全双工通信ICPT系统的电路拓扑示意图；

图3为电能发射线圈和电能接收线圈的实物图；

图4为全双工通信ICPT系统的结构示意图；

图5为电能传输拓扑结构示意图；

图6为电能传输过程中的等效电路示意图；

图7为信号传输拓扑结构示意图；

图8为正向信号传输过程中的等效电路示意图；

图9为电能传输对信号传输的干扰示意图；

图10为信号通道的阻抗特性曲线示意图；

图11-1为实验电路单独进行电能传输的实验波形图；

图11-2为实验电路同时进行电能传输和信号传输的实验波形；

图12为实验电路未进行电能传输，信号进行全双工传输的实验波形；

图13为电能传输与信号全双工同步进行的实验波形。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

典型ICPT系统的基本结构如图1所示，整流滤波环节将工频交流电整流成为直流电，然后经过高频逆变，变成高频交流电，注入到原边发射线圈，发射线圈在附近空间产生高频交变磁场，副边接收线圈产生感应电压，然后在经过整流滤波，为负载提供直流输出。

本实施例提供的基于共享信道的全双工通信ICPT系统的电路拓扑请参见图2所示，包括能量注入电路、原边电能谐振电路、副边电能谐振电路以及负载电路，原边电能谐振电路包括原边电能谐振补偿模块以及与该原边电能谐振补偿模块串联的电能发射线圈，电能发射线圈的线圈电感为L_p，副边电能谐振电路包括副边电能谐振补偿模块以及与该副边电能谐振补偿模块串联的电能接收线圈，电能接收线圈的线圈电感为L_s，其中，电能发射线圈的部分绕组作为原边信号传输线圈，其对应的电感为L_p2，在其两端并联有原边信号通道电路，从而构成原边信号谐振电路，所述电能接收线圈的部分绕组作为副边信号传输线圈，其对应的电感为L_s2，在其两端并联有副边信号通道电路，从而构成副边信号谐振电路，原边信号谐振电路和副边信号谐振电路构成的信号谐振网络至少具有两个谐振点，从而使正向信号传输和反向信号传输可以工作在不同的谐振点上，原边信号通道电路中设置有原边信号谐振补偿模块、原边信号加载模块和原边信号解调模块，副边信号通道电路中设置有副边信号谐振补偿模块、副边信号加载模块和副边信号解调模块。信号加载模块和信号解调模块分别用于实现信号的注入和信号的解调。

电能发射线圈中除去原边信号传输线圈以外的部分对应的电感为L_p1，电能接收线圈中除去副边信号传输线圈以外的部分对应的电感为L_s1，则L_p＝L_p1+L_p2，L_s＝L_s1+L_s2，电能发射线圈和电能接收线圈的实物图如图3所示。

本实施例所提供的一种具体的全双工通信ICPT系统的结构可以参见图4所示，其中，原边电能谐振补偿模块包括电容C_p，副边电能谐振补偿模块包括电容C_s，原边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_p3和电容C_p3，以及并联在电感L_p3和电容C_p3串联支路两端上的电容C_p2，副边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_s3和电容C_s3，以及并联在电感L_s3和电容C_s3串联支路两端上的电容C_s2。图4中利用原、副边电能线圈的部分绕组作为信号传输线圈，在信号线圈上并联信号通道电路，信号通过电容耦合加载到信号发射谐振网络，从而注入到信号发射绕组，在该信号传输结构下，通过电磁共振，信号接收谐振网络获取到信号载波，然后经解调，得到从发送端发送过来的信号。信号接收端具有与发送端类似的结构，因而能实现电能和信号的同步传输，信号的全双工传输。

可选的，本实施例中的能量注入电路包括依次连接的电源电路、滤波电容C_d1以及全桥逆变器，在负载电路和副边电能谐振电路之间还连接有全桥整流器和滤波电容C_d2。

本实施例提供的系统的信号传输与电能传输分别工作在不同的谐振频率，且信号的工作频率远远大于电能频率，信号谐振网络的特征阻抗在电能传输频率下足够大，相当于断路，从而阻断电能载波，故电能传输拓扑结构可以等效为图5所示，其中E_dc为直流电源，C_d1、C_d2为直流滤波电容，M为电能发射线圈和电能接收线圈之间的互感，i_p为电能传输通道的原边电流，i_s为电能传输通道的副边电流。S₁、S₂、S₃、S₄构成全桥逆变电路，将直流电逆变成交流电，注入原边电能谐振电路中。D₁、D₂、D₃、D₄构成副边整流电路，将交流电整流成直流电供给负载R_L使用。

本实施例中电能传输的谐振点满足以下关系式：

由上式可以得到电能谐振频率f_p：

电能传输系统处于谐振状态时(谐振角频率为ω_p)，其原边和副边电流的数关系满足：

Mω_pi_p＝i_sR_L (3)

在电能传输的过程中，原边电能谐振电路和副边电能谐振电路构成电能谐振网络，其对应的等效电路如图6所示。

本实施例中的信号传输拓扑结构参见图7所示，其中原边信号谐振电路和副边信号谐振电路构成信号谐振网络，对于信号谐振网络以外的结构，如图7中虚框中的部分电能网络，令L_p2＝αL_p(0<α<1)，L_s2＝βL_s(0<β<1)，则L_p1＝(1-α)L_p，L_s1＝(1-β)L_s，有：

从而得到虚框中部分电能网络的谐振频率分别为：

优选的，α、β的取值都小于0.1，故相较于信号传输的工作频率(f_f、f_r)，f_p1、f_s1要小得多，因此，该网络对于信号载波的阻抗很大，相当于开路，从而阻断信号载波，对电能传输不产生影响，相当于高频阻波电路。由于部分电能谐振网络对信号载波的阻断作用，因此不需要额外增加阻波网络，简化了电路结构。

据此，在进行信号传输分析时，可以将信号传输结构剥离出来，简化成单独的系统，这样大大降低了系统建模的复杂度，有利于系统参数的设计。以信号从原边发送到副边为例，将原边信号加载模块等效为电压源u_s，副边信号解调模块等效为电阻R_s1，此时系统信号传输的等效电路如图8所示，其中，M_s为信号传输线圈之间的互感，Z_cp、Z_cs分别为图中虚框所示的等效阻抗，isp、iss分别为信号谐振网络的原副边电流。对于上图所示的电路结构，利用互感模型和交流阻抗模型，建立该网络建模模型，得：

令Z_ss、Z_sp虚部为零，并联立上式，得到信号谐振网络的谐振角频率ω_f、ω_r为式子(7)所示：

通过求解得知，在频率ω_o时，信号谐振网络的阻抗无穷大，因此信号谐振网络实际可利用的工作角频率为ω_f、ω_r。

利用信号谐振网络具有的两个工作谐振点ω_f、ω_r特点，使从原边到副边的信号传输(正向传输)和从副边到原边的信号传输(反向传输)分别工作在两个不同的谐振点上，这样在同时进行信号的双向传输时，正向传输和反向传输工作在不同的信道，互不干扰，从而实现信号的全双工传输。

在信号的双向传输通道中，信号接收端所接收到的正弦载波幅值受信号传输通道的增益影响，若衰减过大则会导致解调模块无法正确区分信号所对应的电压幅值，导致误码，另外，在进行ICPT系统中的无线电能和全双工信号的同步传输时，电能传输与信号传输借用同一个耦合机构，不可避免的，在电能传输通道与信号通道同时存在调制信号载波与电能功率波，会产生交叉干扰。下面分别就这两方面做分析。

信道对正弦波信号载波的增益包括：正向传输增益和反正传输增益。对于信号的正向传输，其传输通道电路可以等效如图8所示，由图中电路得：

根据上式，得到正向信号传输增益G_f(ω_f)为：

同理可得，信号反向传输的增益G_r(ω_r)：

其中，R_s2为原边信号解调模块的等效电阻。

电能传输与信号传输共用耦合机构，所以在进行电能传输的时候，也同时进行着信号的全双工传输，因此电能传输、信号的正向传输、信号的反向传输存在着相互干扰。信号串扰包含两部分：电能传输对信号传输的干扰和信号正向传输与反向传输间的相互干扰。

对于电能传输对信号传输的干扰：

在信号的正向传输过程中，根据叠加原理，先不考虑信号自身传输特性，电能传输对信号传输的影响可以量化为在电能传输角频率ω_p下，信号接收端的电压大小。据此，等效电路拓扑如图9所示：

其中，u_in为原边电能谐振电路的输入电压，M_ps2为L_p与L_s2间的互感，M_ss2为L_s与L_s2间的互感，i_s2为此时信号传输通道的电流。

在电能传输过程中，信号线圈会拾取到由电能磁场产生的感应电压，但是对信号传输来说是干扰，会降低信号传输的稳定性以及抗干扰能力。对图9中的结构，对应的干扰电压e_s2为：

e_s2＝jω_pM_ps2i_p-jω_pM_ss2i_s (11)

联立式(3)(11)得：

在信号正向传输过程中，电能传输对信号传输的干扰可量化为R_s1两端的电压大小u_sR，其表达式为：

对图9中的信号接收线圈的阻抗特性进行分析得到图10所示的阻抗特性曲线。

由于本实施例中，电能传输、信号正向传输及信号反向传输的谐振频率相差较大，根据图中阻抗特性曲线可知，信号传输电路对于电能功率波具有较大的阻抗，因此电能传输对信号传输的干扰较小，信号的正向及反向传输间干扰也较小。

由式(9)、(10)、(13)及图10可知，信号通路的参数设计要求包括：通过合理的参数设计，使信号的干扰电压u_sR尽可能的小，需保证信号网络的增益保持在合理的值(>1)，也即G_f(ω_f)和G_r(ω_r)需大于1，同时降低信道间的干扰。

为验证本实施例提供的系统的有效性，根据图4和图5所示的拓扑结构搭建实验电路，电路拓扑的主要参数如表1所示：

表1

直流母线电压E_dc由直流电压源提供，逆变器的工作频率为70kHz，逆变器选用MOSFET作为开关管；对于信号传输部分，考虑到实际需求，将信号的载波频率分别设定在1MHz、2MHz，其信号调制速率分别为13Kbps、24Kbps，待调制数字信号由信号发生器产生，本实施例中的信号调制方式使用幅值键控(Amplitude Shift Keying，ASK)，调制后的载波信号进行功率放大后，通过信号传输通道(电能的部分传输通道)传输到信号接收端，信号接收端经过滤波、检波等环节，从而准确的实现信号的全双工传输。

图11-1和图11-2为实验电路的电能传输实验波形，图中CH1为开关管工作频率，CH2为逆变器输出电压，CH3为副边电阻电压，CH4为原边电流。图11-1中单独进行电能传输，由于硬件电路中一些不可避免的误差，主电路软开关工作频率变为69.9kHz，其中直流输入电压为21V，原边电流的均方根值为1.26A，此时负载电压的均方根值为16.1V。图11-2为电能与信号传输同步进行，此时系统工作频率变为70.03kHz，原边电流均方根值变为1.25A，负载电压均方根值变为16V，相较于原系统，略微有一些偏差，但在电能与信号同步传输过程中，功率仅损失了0.92W，信号传输所消耗的功率很小，对电能传输的影响可以忽略不计。

图12为未进行电能传输，信号进行全双工传输时，信号的调制载波及滤波后的负载拾取电压波形。其中CH1和CH2分别为信号正向传输的调制载波及滤波后的负载拾取电压，实际载波频率为1.0197MHz，信号传输速率为13Kbps，调制信号电压幅值为6V，负载拾取电压幅值为4.8V；CH3和CH4分别为信号反向传输的调制载波及滤波后的负载拾取电压，实际载波频率为2.0613MHz，信号传输速率为24Kbps，调制信号电压幅值为6V，负载拾取电压幅值为7.6V。

图13为电能传输与信号全双工传输同步进行时，信号的调制载波及滤波后的负载拾取电压波形。其中CH1和CH2分别为调制载波信号及滤波后的负载拾取电压。由图中可得知，在进行电能传输时，对信号传输的影响很微小。

本实施例提出了一种基于电能与信号共享通道的全双工通信ICPT系统，其中，利用部分电能传输线圈作为信号的传输通道，实现了电能与信号的共享通道及同步传输。在部分电能线圈并联特殊电路，实现了信号通道的双谐振点，然后分别使信号的正向和反向传输工作于不同的谐振频率点，实现信号的双向独立信道传输，互不干扰。另外，部分电能线圈和电能谐振补偿电容构成阻波电路，降低了对电能传输的影响。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，包括能量注入电路、原边电能谐振电路、副边电能谐振电路以及负载电路，所述原边电能谐振电路包括原边电能谐振补偿模块以及与该原边电能谐振补偿模块串联的电能发射线圈，所述电能发射线圈的线圈电感为L_p，所述副边电能谐振电路包括副边电能谐振补偿模块以及与该副边电能谐振补偿模块串联的电能接收线圈，所述电能接收线圈的线圈电感为L_s；

所述电能发射线圈的部分绕组作为原边信号传输线圈，其对应的电感为L_p2，在其两端并联有原边信号通道电路，从而构成原边信号谐振电路，所述电能接收线圈的部分绕组作为副边信号传输线圈，其对应的电感为L_s2，在其两端并联有副边信号通道电路，从而构成副边信号谐振电路，所述原边信号谐振电路和所述副边信号谐振电路构成的信号谐振网络至少具有两个谐振点；

所述原边信号通道电路中设置有原边信号谐振补偿模块、原边信号加载模块和原边信号解调模块，所述副边信号通道电路中设置有副边信号谐振补偿模块、副边信号加载模块和副边信号解调模块；

所述原边电能谐振补偿模块包括电容C_p，副边电能谐振补偿模块包括电容C_s；

所述原边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_p3和电容C_p3，以及并联在电感L_p3和电容C_p3串联支路两端上的电容C_p2，所述副边信号谐振补偿模块包括相串联的电感L_s3和电容C_s3，以及并联在电感L_s3和电容C_s3串联支路两端上的电容C_s2。

2.如权利要求1所述的基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，所述原边电能谐振电路和所述副边电能谐振电路在谐振点ω_p配合实现电能的正向传输，所述原边信号谐振电路和所述副边信号谐振电路在谐振点ω_f配合实现信号的正向传输，在谐振点ω_r配合实现信号的反向传输，其中：

3.如权利要求2所述的基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，所述系统的电子元件参数满足以下条件：

其中，G_f(ω_f)表示正向信号传输增益，R_s1为副边信号解调模块的等效电阻，G_r(ω_r)表示反向信号传输增益，R_s2为原边信号解调模块的等效电阻，M_s为原边信号传输线圈和副边信号传输线圈之间的互感。

4.如权利要求1所述的基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，所述原边信号传输线圈以及所述副边信号传输线圈满足以下参数设置条件：

5.如权利要求1所述的基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，所述能量注入电路包括依次连接的电源电路、滤波电容C_d1以及全桥逆变器。

6.如权利要求1所述的基于共享信道的全双工通信感应耦合电能传输系统，其特征在于，在所述负载电路和所述副边电能谐振电路之间还连接有全桥整流器和滤波电容C_d2。

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