CN111934443B - 一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，本发明采用频闪映射模型求出系统存在的所有软开关工作点，计算并分析在各软开关工作点下系统原边电流线圈电流谐振特性和谐波含量，以无线电能传输系统逆变器在软开关工作点的基波为能量载波，三次谐波为信号载波。基于频率偏差放大效应，采用二进制移频键控(2FSK)调制方法实现信号调制，设计解调电路实现信号解调，最终实现电能与信号同步无线传输。该方法可以在保证系统高质量、高稳定电能传输的同时，实现信号高速、高准确率无线传输的要求。

Description

一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法及系统，是一种新型能量信号同步传输技术。
背景技术
无线电能传输技术可以实现克服了传统有线电力传输带来的摩擦、老化和接触不良的一系列的弊端，因此获得了国内外众多学者的广泛关注，无线电能传输技术在电动汽车充电、医疗、智能家居等领域都得广泛的应用研究和发展。对于大多数的应用，在原边和副边线圈实现稳定的信号传输在无线电能技术领域成为热点，包括输出电压的反馈、负载识别、异物检测和多负载同时充电控制等无线电能传输都需要信号的传输。
目前电能与信号同步无线电能传输采用射频技术、单通道技术和双通道技术三种方式。
射频技术在电能与信号同步传输技术中是一种很常见的技术方式，但是它随无线电能传输系统额定功率的提高，它的成本也会增加，并且可靠性会降低。
双通道传输技术即电能与信号通过两组线圈分别进行传输，可以分别控制电能传输和信号传输，从而提高信号传输的效率，但是两组磁路机构的存在会造成电能与信号之间的强烈交叉耦合从而产生电磁干扰等问题。
单通道传输技术即电能与信号传输采用相同的线圈，这种技术不但没有相互干扰的问题而且不需要额外的设备。目前，采用单通道实现电能与信号同步传输技术一般采用二进制移幅键控(2ASK)、二进制移频键控(2FSK)和二进制移相键控(2PSK)三种方法。这三种方法分别是通过改变逆变器的输入电压、工作频率和移相角来实现信号的调制，但是这些传统的调制方法存在着信号传输速率低、抗干扰能力弱以及易对系统输出电压造成较大影响等缺点。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中采用单通道实现电能与信号同步传输的技术缺陷，本发明提出一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法及系统，可以实现高信号传输速率，稳定的输出电压且不受信号传输影响，系统工作在软开关状态，系统效率高。
发明内容：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，包括步骤：
(1)在无线电能传输系统中利用频闪映射模型求出无线电能传输系统中所有的逆变器软开关工作点；
(2)在基波和三次谐波单独作用下，应用Simulink中FFT分析方法，在系统工作在各个逆变器软开关工作点时，分析出无线电能传输系统的原边电能发射电路中电流的三次谐波含有率；选取一个原边电能发射电路中电流三次谐波含有率低于预设阈值的逆变器软开关工作点作为系统的工作频率f；
(3)设置频偏Δf，将引入频偏后的频率f1作为信号待传的工作频率；
(4)通过二进制移频键控调制方法实现原边基带信号调制，即在基带信号为0时，控制无线电能传输系统工作在频率f，在基带信号为1时，控制无线电能传输系统工作在频率f1；
(5)在无线电能传输系统的副边，基于频率偏差放大效应分离出原边发射信号的基波和三次谐波，其中，基波用来传输能量，三次谐波来传输信号。
进一步的，所述步骤(2)中，选取一个原边电能发射电路中电流三次谐波含有率低于10％的逆变器软开关工作点作为系统的工作频率f。
进一步的，所述频偏Δf选取时，需要保证无线电能传输系统中副边电能传输电路中负载电压变化低于3％。
进一步的，利用频闪映射模型求出所有的逆变器软开关工作点的具体步骤包括：
(1)根据原边电能发射电路和副边电能传输电路列出系统空间状态模型，
Figure GDA0002721940640000021
其中，x为系统状态变量，u为系统输入变量，A和B分别为
Figure GDA0002721940640000022
Figure GDA0002721940640000031
其中，Δ＝M2-LpLs；Lp表示原边电能发射电路中发射线圈的电感，Cp表示原边电能发射电路谐振电容，Rp为发射线圈内阻，Ls表示副边电能传输电路中接收线圈的电感，Rs表示接收线圈内阻，M为发射线圈和接收线圈之间的互感系数，RL表示系统负载等效电阻；
(2)根据频闪映射模型，将A和B带入频闪映射模型的逆变器输出电流软开关不动点方程：
Figure GDA0002721940640000032
其中，Y＝[1 0 0 0]，I是4×4的单位矩阵；
(3)根据电流软开关不动点的方程，计算出逆变器所有的软开关工作点。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明采用频闪映射模型求得软开关工作点，系统在不进行信号传输时，系统处于软开关工作状态，可以提高系统的传输效率；
(2)本发明采用2FSK进行信号调制，具有信号检测和恢复过程复杂度低的优点，并且信号传输速率高；
(3)本发明采用频率偏差放大效应选取待传信号的工作频率，输出电压稳定且不受信号传输影响。
附图说明
图1是本发明的实施例电路拓扑；
图2是本发明的实施例频闪映射模型逆变器软开关工作点的示意图；
图3是本发明的实施例中信号检测电路上检测电感电压和副边电能传输电路负载上电压随工作频率变化关系曲线的示意图；
图4是本发明的实施例中副边电能传输电路和信号检测电路中的负载电压波形和检测电感上的电压波形；
图5是本发明实施例中基带信号和解调信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的实现原理进行进一步阐述。
如图1所示为本实施的系统结构图，具体包括直流电源1、高频逆变电路2、信号调制模块3、原边电能发射电路4、副边电能传输电路5、信号检测电路6和信号解调电路7。
信号调制模块3通过基带信号的二进制数据控制高频逆变电路2的工作频率，从而实现数字信号的传送。电能发射电路4由发射线圈Lp和谐振电容Cp串联组成，发射线圈内阻为Rp。高频逆变电路2输出方波电压加载到原边电能发射电路4上，经谐振电路变换变成正弦周期电流。副边电能传输电路5由拾取线圈Ls、谐振电容Cs和负载RL串联组成，拾取线圈内阻为Rs。原边电能发射线圈Lp与副边电能拾取线圈Ls之间的耦合，在电能拾取线圈Ls上感应出电动势并通过电能传输电路的谐振网络传输高频能量，实现无线电能传输。信号检测通道6由信号检测电感Ln、谐振电容Cn串联组成，信号检测电感的内阻为Rn。副边电能传输电路5从原边电能发射电路4中选取出基波来传输能量，信号检测电路6从原边电能发射电路4中选取出三次谐波来传输信号，信号检测电路6中检测线圈的电压通过耦合变压器接入信号解调电路7中，利用解调电路7的二极管检波的特性实现信号的解调。
在本实施例中，所述的信号调制模块3是由C2000系列的DSP构成，在DSP中将基带数字信号转换成高频逆变电路中作为驱动信号进行2FSK控制；所述的高频逆变电路2根据不同的工作频率输出不同的占空比为50％的方波电压，该方波由基波和一系列基次谐波组成，由于三次谐波与其他次基次谐波相比，三次谐波含量大，因此本发明只考虑基波和三次谐波的作用；所述的副边电能传输电路5和信号检测电路6将原边电能发射电路4上电流的基波和三系谐波进行分离，使副边电能传输电路上为基波频率，信号检测电路6上为三次谐波频率；所述的信号解调电路7是通过检测三次谐波信号检测电路中电感电压实现信号解调。
为实现图1所示系统的电能信号同步传输，本实施例提供的方法为：
一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，包括步骤：
(1)在无线电能传输系统中利用频闪映射模型求出无线电能传输系统中所有的逆变器软开关工作点；
(2)在基波和三次谐波单独作用下，应用Simulink中FFT分析方法，在系统工作在各个逆变器软开关工作点时，分析出无线电能传输系统的原边电能发射电路中电流的三次谐波含有率；选取一个原边电能发射电路中电流三次谐波含有率低于预设阈值的逆变器软开关工作点作为系统的工作频率f；
(3)设置频偏Δf，将引入频偏后的频率f1作为信号待传的工作频率；
(4)通过二进制移频键控调制方法实现原边基带信号调制，即在基带信号为0时，控制无线电能传输系统工作在频率f，在基带信号为1时，控制无线电能传输系统工作在频率f1；
(5)在无线电能传输系统的副边，基于频率偏差放大效应分离出原边发射信号的基波和三次谐波，其中，基波用来传输能量，三次谐波来传输信号。
具体的，利用频闪映射模型求出所有的逆变器软开关工作点的具体步骤包括：
1)根据原边电能发射电路和副边电能传输电路列出系统空间状态模型，
Figure GDA0002721940640000051
Figure GDA0002721940640000052
Figure GDA0002721940640000053
其中，x为系统状态变量，u为系统输入变量，Δ＝M2-LpLs；Lp表示原边电能发射电路中发射线圈的电感，Cp表示原边电能发射电路谐振电容，Rp为发射线圈内阻，Ls表示副边电能传输电路中接收线圈的电感，Rs表示接收线圈内阻，M为发射线圈和接收线圈之间的互感系数，RL表示系统负载等效电阻；
2)根据频闪映射模型，将A和B带入频闪映射模型的逆变器输出电流软开关不动点方程：
Figure GDA0002721940640000054
其中，Y＝[1 0 0 0]，I是4×4的单位矩阵；
3)根据电流软开关不动点的方程，计算出
Figure GDA0002721940640000055
时方程的非零点，即为逆变器所有的软开关工作点。
如图2所示，本实施例是通过频闪映射模型求得原边电能发射电路与副边电能传输电路对应方程
Figure GDA0002721940640000061
的四个非零点，表示逆变器四个稳态软开关工作点；利用傅里叶级数对原边电流进行分析，得到四个软开关工作点的谐波含有率，本实施例选取一个逆变器软开关工作点B作为本系统的一个工作频率，该工作点原边电能发射电路电流三次谐波含有率为6.44％，工作点B的工作频率为f＝215kHz。
如图3所示，本发明是通过采用2FSK将数字信号调制到系统中，其具体方法为：当基带信号传递数字信号“0”时，控制DSP使信号调制模块输出频率为逆变器软开关工作点的频率f；当基带信号传输数字信号“1”时，控制DSP使信号调制模块输出频率f1的工作频率，选取频率f1＝200kHz。频率f切换到频率f1时，偏移频率为：
Δf＝|f-f1|
本发明信号检测电路的三次谐波分量频率偏差为3Δf，本发明基于谐波分量对基波分量的偏移有较大影响，采用频率偏差放大效应实现能量信号传输。
如图3所示，采用2FSK调制，电能传输通道负载输出电压变化低于3％，因此负载输出电压稳定且不受传输信号的影响。2FSK具体包括以下步骤：
(1)信号调制：在信号调制模块中利用DSP输出四路占空比为50％的PWM信号经驱动芯片作为开关管驱动的电压方波。由Simulink中FFT分析原边电能发射电路中电流，原边电流中存在基波和其它基次谐波，在只考虑基波和三次谐波的作用下，利用原边电能发射电路电流中的基波成分传递能量，三次谐波成分传递信号。采用二进制移频键控(2FSK)调制方法，当基带信号为“0”时，系统的工作频率为f；基于频率偏差放大效应，当基带信号为“1”时，系统的工作频率为f±Δf，Δf的选取应保证副边电能传输电路中负载电压变化低于3％。
(2)信号解调：高频逆变电路输出两个不同的工作频率加载到原边电能发射电路中，由于本系统只考虑原边电能发射电路电流中的基波和三次谐波的作用，副边电能传输电路和信号检测电路有基波和三次谐波选频电路，利用谐波对基波频率偏差放大作用，在三次谐波选频电路中的检测电感能检测到电压幅值的变化，并且对能量传输影响较小，再利用解调电路提取电感电压包络，最后通过比较电路就能实现信号解调，还原基带信号。为实现信号解调，本实施例在副边电能传输电路中增加信号检测电路6，来分离原边电能发射电路电流的基波和三次谐波，其中，副边电能传输电路的频率与逆变器软开关工作点的基波频率一致，信号检测电路的频率与逆变器软开关工作点的三次谐波频率一致。
如图4所示，本发明在图1的电路图下，选取逆变器的一个软开关工作点B作为系统的工作频率，以及与软开关工作点偏移Δf作为信号待传的工作频率。在2FSK调制下，上图为系统的电能传输电路的负载电压，下图为信号检测电路上检测电感电压波形，可以看出，改系统输出电压稳定且不随信号传输的影响，并且信号检测电压存在明显包络，将此包络电压输入解调电路就能实现信号的解调。
如图5所示，本发明在在基带信号010101进行能量信号同步传输，上图为基带信号波形，下图为解调信号波形，传输速率为6kbps，由于信号检测电路存在电感、电容，这些期间的充放电需要时间，所以解调信号相对于基带信号会有稍微的延迟，但是相比于信号传输速率，这个延迟很小。
以上为本发明的较佳实例，凡本发明技术方案所作改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，其特征在于，包括步骤：
(1)在无线电能传输系统中利用频闪映射模型求出无线电能传输系统中所有的逆变器软开关工作点，具体步骤包括：
(11)根据原边电能发射电路和副边电能传输电路列出系统空间状态模型，
Figure FDA0003949934650000011
其中，x为系统状态变量，
Figure FDA0003949934650000012
表示x的微分量，u为系统输入变量，A和B分别为
Figure FDA0003949934650000013
Figure FDA0003949934650000014
其中，Δ＝M2-LpLs；Lp表示原边电能发射电路中发射线圈的电感，Cp表示原边电能发射电路谐振电容，Rp为发射线圈内阻，Ls表示副边电能传输电路中接收线圈的电感，Rs表示接收线圈内阻，M为发射线圈和接收线圈之间的互感系数，RL表示系统负载等效电阻；
(12)根据频闪映射模型，将A和B带入频闪映射模型的逆变器输出电流软开关不动点方程：
Figure FDA0003949934650000015
其中，Y＝[1 0 0 0]，I是4×4的单位矩阵，Φ表示系统状态转移矩阵；
(13)计算电流软开关不动点的方程取0时的解，即为逆变器所有的软开关工作点；
(2)在基波和三次谐波分别单独作用下，应用Simulink中FFT分析方法，在系统工作在各个逆变器软开关工作点时，分析出无线电能传输系统的原边电能发射电路中电流的三次谐波含有率；选取一个原边电能发射电路中电流三次谐波含有率低于预设阈值的逆变器软开关工作点作为系统的工作频率f；
(3)设置频偏Δf，将引入频偏后的频率f1作为信号待传的工作频率；
(4)通过二进制移频键控调制方法实现原边基带信号调制，即在基带信号为0时，控制无线电能传输系统工作在频率f，在基带信号为1时，控制无线电能传输系统工作在频率f1；
(5)在无线电能传输系统的副边，基于频率偏差放大效应分离出原边发射信号的基波和三次谐波，其中，基波用来传输能量，三次谐波来传输信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选取一个原边电能发射电路中电流三次谐波含有率低于10％的逆变器软开关工作点作为系统的工作频率f。
3.根据权利要求2所述的一种基于软开关谐波特性的电能与信号同步无线传输方法，其特征在于，所述频偏Δf选取时，需要保证无线电能传输系统中副边电能传输电路中负载电压变化低于3％。
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