CN114069875A - 一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统及方法，系统包括多个端口模块，每个端口模块均包括功率传输电路及信息传输电路；功率传输电路包括依次级联的功率变换单元、补偿网络单元和传输线圈单元；信息传输电路包括依次级联的信息加载提取单元、回波消除阻抗单元、分频阻抗单元及解调单元；信息传输电路通过变压器实现与功率传输电路的连接；至少一个端口模块接电源，其余接负载或储能装置，各端口模块之间通过传输线圈单元进行功率载波和信息载波传输。能量信息传输模式包括发射模式及接收模式，可以实现多源多负载应用场合下不同端口间的无线能量信息同步传输，信息传输过程中不影响系统功率传输特性。

Description

一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统 及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统及方法。

背景技术

在区域型多源多负载无线供电场合，如工业机器人群、电动汽车和民用电子设备等，随着源和负载数量的增多，传统“一对一”式无线能量传输已不能满足系统需求。由此衍生出了适用于多源多负载场景的多端无线能量路由器概念，其能够实现各个端口间的能量无线传输，满足功率调配和控制需求。在无线能量路由器实际应用时，除能量传输外，还需要实现各端口间的信息传输，包括源载状态、设备ID及其他即时信息等，这些信息能够帮助无线能量路由器更好地实现设备位置检测、功率分配及负载识别等功能。因此实现无线能量信息同步传输是无线能量路由器的重要特征和功能。

现有无线能量信息同步传输技术可分为两类：一类采用两个或多个传输线圈分别对能量及信息进行传输，但这类技术系统结构复杂，体积较大，不利于广泛应用；另一类采用单一线圈结构，能量信息均通过同一线圈传输，但能量信息载波间容易存在串扰。目前相关研究大多局限于单源单负载应用场合，无法满足无线能量路由器中多端口间进行能量信息同步传输的需求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统及方法，以实现多源与多负载应用场合下的无线能量信息同步传输，解决同一端口存在多种不同频率的信息载波时难以解调、能量信息串扰严重等问题。

技术方案：本发明的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，该系统包括N个端口模块，N≥3，每个端口模块均包括功率传输电路和信息传输电路，功率传输电路包括功率变换单元、补偿网络单元和传输线圈单元，功率变换单元的一端接补偿网络单元，补偿网络单元的另一端接传输线圈单元；信息传输电路与补偿网络单元连接；其中至少一个端口模块的功率变换单元接电源，其余端口模块的功率变换单元接负载或储能，各端口模块之间通过传输线圈单元进行功率载波和信息载波双向传输。

优选的，补偿网络单元包括补偿电感L_sn、补偿电容C_sn和谐振电容C_n，传输线圈单元包括寄生电阻R_fn和线圈自感L_n，其中，n＝1,2,…,N；补偿电感L_sn和补偿电容C_sn串联后与功率变换单元并联，谐振电容C_n、寄生电阻R_fn、线圈自感L_n和信息传输电路的变压器副边线圈依次串联后与补偿电容C_sn并联；各端口模块之间通过线圈感应连接。

优选的，补偿网络单元的谐振条件为：

其中，ω_p为功率载波角频率，L_n为线圈单元各线圈的自感，L_E2n为附加电感。

优选的，信息传输电路包括信息加载提取单元、回波消除阻抗单元、第一差分放大电路、分频阻抗单元、第一解调单元和第二解调单元，信息加载提取单元一端与补偿网络单元连接，另一端与回波消除阻抗单元连接，回波消除阻抗单元输出端与第一差分放大电路连接，第一差分放大电路输出与分频阻抗单元连接，分频阻抗单元两路输出分别与第一解调单元和第二解调单元连接，第一解调单元和第二解调单元分别输出解调后的电压信号。

优选的，信息加载提取单元用于实现发射及接收信息载波的加载与提取，包括变压器、电容和电阻，其中，变压器原边线圈与电容、电阻共同实现高通滤波，防止低频功率载波流入信息传输电路；变压器副边线圈与功率传输电路中的传输线圈单元串联，使信息载波与功率载波经过同一线圈在不同端口间传输；

回波消除阻抗单元用于抑制各端口发射信息载波对接收信息载波的干扰，包括电感与电阻，或电容与电阻，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由两阻值相同的电阻构成，右侧桥臂中下半部分与信息加载提取单元相连接，上半部分由电感或电容与电阻构成，当各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波；

分频阻抗单元用于增强对来自不同端口接收信息载波的辨别能力，包括多个串联的RLC带阻滤波器，各带阻滤波器从多种不同频率的接收信息载波中选取目标信息载波，以便于后续第一解调单元和第二解调单元作用；

第一解调单元和第二解调单元均用于实现由信息载波提取并输出数字信息。

优选的，信息加载提取单元包括变压器、附加电容C_E1和附加电阻R_E1，其中，变压器原边线圈L_E1的同名端与附加电容C_E1的一个极板连接，附加电容C_E1的另一个极板与附加电阻R_E1的一端连接，附加电阻R_E1的另一端与变压器原边线圈L_E1的异名端连接；变压器副边线圈L_E2的异名端与传输线圈单元的传输线圈的同名端连接，变压器副边线圈L_E2的同名端与补偿网络单元的一端连接；

回波消除阻抗单元包括第一电阻R₁、第二电阻R₂及模拟阻抗Z₂，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由第一电阻R₁和第二电阻R₂构成，右侧桥臂下半部分与信息加载提取单元的附加电阻R_E1两端相连接，上半部分由模拟阻抗Z₂构成；两桥臂端点A、B之间连接端口模块发射信息载波电压U_tx1，两桥臂中点C、D之间输出的电压U_rx1经第一差分放大电路与分频阻抗单元连接，附加电阻R_E1端电压为U_d1；当两个桥臂各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波；

分频阻抗单元包括第一选频电感L_p2、第二选频电感L_p3、第一选频电容C_p21、第二选频电容C_p22、第三选频电容C_p31、第四选频电容C_p32、第一选频电阻R_p2、第二选频电阻R_p3和第三选频电阻R_p4，第一选频电容C_p21和第二选频电容C_p22串联后与第一选频电感L_p2并联，第一选频电阻R_p2与第一选频电容C_p21并联，第一选频电容C_p21与第一选频电感L_p2的连接点与第一差分放大电路输出连接，第一选频电感L_p2两端输出第一选频电压U⁽²⁾ _LC1；第三选频电容C_p31和第四选频电容C_p32串联后与第二选频电感L_p3并联，第二选频电阻R_p3与第三选频电容C_p31并联，第二选频电感L_p3和第三选频电容C_p31的连接点与第一选频电感L_p2和第二选频电容C_p22的连接点连接，第二选频电感L_p3两端输出第二选频电压U⁽³⁾ _LC1；第三选频电阻R_p4的一端接第四选频电容C_p32和第二选频电感L_p3的连接点，另一端接地；

第一解调单元和第二解调单元结构相同，均包括依次级联的包络检波电路、第二差分放大电路和比较输出电路，第一选频电压U⁽²⁾ _LC1与第一解调单元的包络检波电路的输入端连接，第二选频电压U⁽³⁾ _LC1与第二解调单元的包络检波电路的输入端连接，第一解调单元和第二解调单元的比较输出电路分别输出第一解调电压信号U⁽²⁾ _sig1和第二解调电压信号U⁽³⁾ _sig1。

优选的，功率变换单元为全桥或半桥电路拓扑；补偿网络单元为LCC补偿拓扑；传输线圈单元采用平面方形线圈、圆形线圈或螺线管线圈。

本发明的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输方法，该方法包括发射模式和接收模式；

发射模式是指系统既能实现由任意数量输入源端口向任意数量负载端口的能量发送，也能实现由任意数量端口向其余任意数量端口的信息发射；

接收模式是指系统既能实现任意数量负载端口对任意数量输入端口所发送能量的接收，也能实现任意数量端口对来自其余任意数量端口的信息接收；

发射模式和接收模式同时存在时，即能够实现多端全双工无线能量信息同步传输。

进一步的，当i#端口模块工作于发射模式时，其工作具体过程为：

(1)能量传输：i#端口模块作为输入源端口，其直流电压经功率变换单元变换为交流电压后送入补偿网络单元，补偿网络单元的谐振频率与功率变换单元的开关频率保持一致，使功率传输电路处于谐振状态，降低系统无功分量，并将交流电压滤波成高频正弦功率载波，送入传输线圈单元后再传输至其它端口模块；

(2)信息传输：经过调幅调制后的i#端口模块发射信息载波加载至回波消除阻抗单元一侧，经过回波消除阻抗单元及信息加载提取单元后，由变压器耦合至该端口模块功率传输电路的补偿网络单元处，再与功率载波一同经过i#端口模块的传输线圈单元传输至其余端口；此时，其余端口均处于接收模式，与处于发射模式的i#端口模块协同配合，其接收到的功率载波送入负载完成能量传输，而信息载波送入信息传输电路最终输出与i#端口模块原始信息内容一致的电压信号。

进一步的，接收模式具体为：

当j#端口模块的传输线圈单元拾取到来自i#端口模块的功率载波及信息载波后，j≠i，首先通过本端口模块信息加载提取单元分离接收信息载波与功率载波，抑制功率载波对信息载波造成的干扰；然后，功率载波经过补偿网络单元及功率变换单元后送至负载，完成能量传输过程，通过控制不同端口模块间功率变换单元之间移相角即能够对传输能量的大小及方向进行控制；而信息载波则经过回波消除阻抗单元，以抑制j#端口模块自身所发射的信息载波对接收到的来自其余端口的信息载波的干扰；进一步地，经过分频阻抗单元进一步滤除接收信息载波中除目标接收信息载波以外的频率分量，最终经解调单元输出与原始信息一致的信号波形。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)通过加入分频阻抗单元，实现了多源与多负载之间能量及信息的同步传输，简化了系统结构，降低了系统成本；(2)本发明所采用的信息传输电路通过在不同位置引入信息加载提取单元及多级差分放大电路，有效抑制了功率信息载波间串扰，提高了系统信噪比，且结构简单，易于设计；(3)本发明通过不同工作模式共存的方式，实现了信息全双工传输，通过合理设计信息传输电路与功率传输电路的连接方式及连接位置，降低了信息传输对能量传输的影响，信息传输过程中不影响系统功率传输特性，且任意端口均可实现不同工作模式，具有灵活可靠、便于设计、易于拓展、装置体积小及成本低等优点。

附图说明

图1是本发明系统拓扑图；

图2是本发明实施例提供的一种具体的三端口系统拓扑图；

图3是本发明实施例所采用的平面方形线圈结构示意图；

图4是信息传输电路拓扑图；

图5是能量信息传输模式示意图；其中(a)为“一传二”工作模式，(b)为“二传一”工作模式。

具体实施方式

以下通过参考示范性实施例及附图，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

如图1所示，本发明的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，包括N个端口模块，N≥3，每个端口模块均包括功率传输电路和信息传输电路，功率传输电路包括功率变换单元、补偿网络单元和传输线圈单元，功率变换单元的一端接补偿网络单元，补偿网络单元的另一端接传输线圈单元；信息传输电路与补偿网络单元连接；其中至少一个端口模块的功率变换单元接电源，其余端口模块的功率变换单元接负载或储能，各端口模块之间通过传输线圈单元进行功率载波和信息载波传输。其中，电源可由新能源或电网等直接或间接提供直流电；储能装置主要为蓄电池，可实现储电及馈电；功率变换单元可采用全桥、半桥等电路拓扑；传输线圈单元可采用平面方形线圈、圆形线圈或螺线管线圈等多种线圈形式；补偿网络单元由电感与电容通过串并联等方式组成，如LCC补偿拓扑；负载可以为无人机、电动汽车、民用电子设备等。

信息传输电路包括信息加载提取单元、回波消除阻抗单元、第一差分放大电路、分频阻抗单元、第一解调单元和第二解调单元，信息加载提取单元一端与补偿网络单元连接，另一端与回波消除阻抗单元连接，回波消除阻抗单元输出端与第一差分放大电路连接，第一差分放大电路输出与分频阻抗单元连接，分频阻抗单元两路输出分别与第一解调单元和第二解调单元连接，第一解调单元和第二解调单元分别输出解调后的电压信号。信息加载提取单元用于实现发射及接收信息载波的加载与提取，包括变压器、电容和电阻，其中，变压器原边线圈与电容、电阻共同实现高通滤波，防止低频功率载波流入信息传输电路；变压器副边线圈与功率传输电路中的传输线圈单元串联，使信息载波与功率载波经过同一线圈在不同端口间传输；回波消除阻抗单元用于抑制各端口发射信息载波对接收信息载波的干扰，包括电感与电阻，或电容与电阻，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由两阻值相同的电阻构成，右侧桥臂中下半部分与信息加载提取单元相连接，上半部分由电感或电容与电阻构成，当各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波；分频阻抗单元用于增强对来自不同端口接收信息载波的辨别能力，包括多个串联的RLC带阻滤波器，各带阻滤波器从多种不同频率的接收信息载波中选取目标信息载波，以便于后续第一解调单元和第二解调单元作用；第一解调单元和第二解调单元均用于实现由信息载波提取并输出数字信息。

图1中补偿网络单元包括补偿电感L_sn、补偿电容C_sn和谐振电容C_n，传输线圈单元包括寄生电阻R_fn和线圈自感L_n，其中，n＝1,2,…,N；补偿电感L_sn和补偿电容C_sn串联后与功率变换单元并联，谐振电容C_n、寄生电阻R_fn、线圈自感L_n和信息传输电路的变压器副边线圈依次串联后与补偿电容C_sn并联；各端口模块之间通过线圈互感M_ij感应连接，其中，i和j为端口编号，且i≠j。

如图2所示，为本实施例提供的一种具体的三端口多端全双工无线能量信息同步传输系统拓扑图，每个端口模块均由功率传输电路和信息传输电路两部分组成。其中，功率传输电路由电源、储能装置、功率变换单元、传输线圈单元、补偿网络单元组成。图中，V₁～V₃为端口1～3的端口电压，各端口模块的功率变换单元均采用全桥拓扑，其桥臂中点电压分别用u₁、u₂和u₃表示。端口1与电源连接，端口2与储能装置连接，端口3则连接负载。各端口均采用等效LCC补偿网络，其由补偿电感L_sn、补偿电容C_sn、谐振电容C_n及附加电感L_E2n(n＝1,2,3)组成，其中附加电感为信息传输电路中变压器的副边自感值。R_f1～R_f3为传输线圈单元各自的寄生电阻，各传输线圈单元的线圈自感为L_n(n＝1,2,3)，线圈之间的互感则用M_ij表示(i＝1,2,3,j＝1,2,3,i≠j)。具体的：

如图3所示，为本实施例所采用的平面方形线圈结构示意图，可分为上下两层。其中下层端口1线圈单元为长方形；上层端口2线圈与端口3线圈单元为正方形，其边长与端口1线圈单元宽度相同，两线圈平行放置，耦合系数可忽略不计，二者在空间位置上均与下层端口1线圈保持平行关系。忽略手工绕制线圈引起的参数误差以及摆放线圈引起的位置误差，则有M₁₂＝M₁₃。本实例中补偿网络单元的谐振条件为：

图4为1#端口信息传输电路拓扑图，该电路由信息加载提取单元、回波消除阻抗单元、分频阻抗单元及解调单元构成。图中，U_tx1为1#端口发射信息载波电压，U_d1为1#端口附加电阻R_E1电压，U_rx1为U_d1经过回波消除阻抗单元后的输出电压，U⁽²⁾ _LC1及U⁽³⁾ _LC1为分频阻抗单元输出电压，U⁽²⁾ _sig1及U⁽³⁾ _sig1为经过解调后得到的电压信号，其幅值与原始信息保持一致。信息加载提取单元与线圈自感共同构成信息传输路径的主要部分，变压器原副边分别连接信息传输电路与功率传输电路，其原副边电感值影响信息传输路径增益。附加电容C_E1及附加电阻R_E1共同构成高通滤波器，阻止功率载波进入信息传输电路，对后续信息载波解调造成干扰。回波消除阻抗单元由第一电阻R₁、第二电阻R₂及模拟阻抗Z₂构成，该单元与信息加载提取单元级联，起到分离本端口发射信息载波U_tx1与接收信息载波U_rx1的作用，其中，模拟阻抗Z₂性质及阻抗值由等效阻抗Z_equal决定，该单元各部分组成桥式结构，且各桥臂上下部分阻值(或阻抗值)相等。分频阻抗单元由第一选频电感L_p2、第二选频电感L_p3、第一选频电容C_p21、第二选频电容C_p22、第三选频电容C_p31、第四选频电容C_p32、第一选频电阻R_p2、第二选频电阻R_p3和第三选频电阻R_p4组成，各元件串并联构成针对不同信息载波频率的带阻滤波器，以便于将目标信息载波频率分量从接收信息载波中提取出来，送入后级解调单元。该单元所采用的带阻滤波器数量由端口数量决定，各部分独立工作，设计简单，有利于系统端口数量拓展。解调单元由包络检波电路及比较放大电路两部分构成，通过信息载波的幅值变化最终输出与原始信息内容一致的电压信号。前后级联单元中采用加入差分放大电路的方法实现前后隔离，同时避免接收信息载波幅值过小无法解调。其他端口信息传输电路结构与1#端口相同。具体的：

信息加载提取单元包括变压器、附加电容C_E1和附加电阻R_E1，其中，变压器原边线圈L_E1的同名端与附加电容C_E1的一个极板连接，附加电容C_E1的另一个极板与附加电阻R_E1的一端连接，附加电阻R_E1的另一端与变压器原边线圈L_E1的异名端连接；变压器副边线圈L_E2的异名端与传输线圈单元的传输线圈的同名端连接，变压器副边线圈L_E2的同名端与补偿网络单元的一端连接。

回波消除阻抗单元包括第一电阻R₁、第二电阻R₂及模拟阻抗Z₂，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由第一电阻R₁和第二电阻R₂构成，右侧桥臂下半部分与信息加载提取单元的附加电阻R_E1两端相连接，上半部分由模拟阻抗Z₂构成；两桥臂端点A、B之间连接端口模块发射信息载波电压U_tx1，两桥臂中点C、D之间输出的电压U_rx1经第一差分放大电路与分频阻抗单元连接，附加电阻R_E1端电压为U_d1；当两个桥臂各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波。

第一差分放大电路包括第一放大器、第一差分电阻R_A1、第二差分电阻R_A2、第三差分电阻R_A3和第四差分电阻R_A4，其中，第一差分电阻R_A1和第二差分电阻R_A2分别串联在第一放大器的正向输入端和反向输入端，且第一差分电阻R_A1和第二差分电阻R_A2的另一端分别与回波消除阻抗单元输出电压U_rx1的正负极连接；第三差分电阻R_A3两端分别连接第一放大器正向输入端和地；第四差分电阻R_A4两端分别连接第一放大器输出端和第一放大器反向输入端；第一放大器输出端接分频阻抗单元。

分频阻抗单元包括第一选频电感L_p2、第二选频电感L_p3、第一选频电容C_p21、第二选频电容C_p22、第三选频电容C_p31、第四选频电容C_p32、第一选频电阻R_p2、第二选频电阻R_p3和第三选频电阻R_p4，第一选频电容C_p21和第二选频电容C_p22串联后与第一选频电感L_p2并联，第一选频电阻R_p2与第一选频电容C_p21并联，第一选频电容C_p21与第一选频电感L_p2的连接点与第一差分放大电路输出连接，第一选频电感L_p2两端输出第一选频电压U⁽²⁾ _LC1；第三选频电容C_p31和第四选频电容C_p32串联后与第二选频电感L_p3并联，第二选频电阻R_p3与第三选频电容C_p31并联，第二选频电感L_p3和第三选频电容C_p31的连接点与第一选频电感L_p2和第二选频电容C_p22的连接点连接，第二选频电感L_p3两端输出第二选频电压U⁽³⁾ _LC1；第三选频电阻R_p4的一端接第四选频电容C_p32和第二选频电感L_p3的连接点，另一端接地；

第一解调单元和第二解调单元结构相同，均包括依次级联的包络检波电路、第二差分放大电路和比较输出电路。第一解调单元包括第一包络检波电路、第二差分放大电路和第一比较输出电路，其中，第一包络检波电路包括第一二极管D₁、第一检波电阻R_D1、第二检波电阻R_D2、第一检波电容C_D2，第一二极管D₁的阴极与第一检波电阻R_D1的一端连接，第一检波电阻R_D1的另一端与第二检波电阻R_D2的一端连接，第一检波电容C_D2与第二检波电阻R_D2并联，第二检波电阻R_D2的另一端与第一选频电压U⁽²⁾ _LC1的负极连接，第一选频电压U⁽²⁾ _LC1的正极与第一二极管D₁的阳极连接；第二差分放大电路包括第二放大器、第五差分电阻R_A5、第六差分电阻R_A6、第七差分电阻R_A7、第八差分电阻R_A8，第五差分电阻R_A5和第六差分电阻R_A6的一端分别与第二放大器的正向输入端和反向输入端连接，另一端分别与第一检波电容C_D2的两极板连接，第七差分电阻R_A7两端分别与第二放大器的正向输入端和地连接，第八差分电阻R_A8的两端分别与第二放大器的反向输入端和输出端连接；第一比较输出电路包括第一比较器、第一比较电压V_ref1，第一比较器的正向输入端与第二放大器的输出端连接，第一比较电压V_ref1的正极和负极分别与第一比较器的反向输入端和地连接，第一比较器输出第一解调电压信号U⁽²⁾ _sig1。第二解调单元电路结构与第一解调相同，只是第二解调单元的第二包络检波电路的输入与第二选频电压U⁽³⁾ _LC1连接，第二比较输出电路输出第二解调电压信号U⁽³⁾ _sig1。

一种基于上述系统架构的能量信息同步传输方法，包括发射模式和接收模式两部分。具体的：

所述发射模式是指系统既可实现由任意数量输入源端口向任意数量负载端口的能量发送，也可实现由任意数量端口向其余任意数量端口的信息发射。各输入源端口结构相同，传输过程相同，以i#端口(i＝1,2,3,…,n)为例，当i#端口工作于发射模式时，其工作具体过程为：1)能量传输：输入源端口直流电压经功率变换单元变换为交流电压后送入补偿网络单元，补偿网络单元的谐振频率与功率变换单元的开关频率保持一致，使功率传输电路处于谐振状态，降低系统无功分量，并将交流电压滤波成高频正弦功率载波，送入线圈单元后再传输至其它端口；2)信息传输：经过调幅调制后的i#端口发射信息载波加载至回波消除阻抗单元一侧，经过回波消除阻抗单元及信息加载提取单元后，由变压器耦合至i#端口功率传输电路的补偿网络单元处，再与功率载波一同经过i#端口传输线圈传输至其余端口。此时，其余端口均处于接收模式，与处于发射模式的i#端口协同配合，其接收到的功率载波送入负载完成能量传输，而信息载波送入信息传输电路最终输出与i#端口原始信息内容一致的电压信号。

所述接收模式系统既可实现任意数量负载端口对任意数量输入端口所发送能量的接收，也可实现任意数量端口对来自其余任意数量端口的信息接收。同样地，以j#端口(j＝1,2,3,…,n,j≠i)为例，j#端口传输线圈拾取到来自i#端口的功率载波及信息载波后，首先通过本端口信息加载提取单元分离接收信息载波与功率载波，抑制功率载波对信息载波造成的干扰。然后，功率载波经过补偿网络单元及功率变换单元后送至负载，完成能量传输过程，通过控制不同端口间功率变换单元之间移相角即可对传输能量的大小及方向进行控制；而信息载波则经过回波消除阻抗单元，以抑制j#端口自身所发射的信息载波对接收到的来自其余端口的信息载波的干扰。进一步地，经过分频阻抗单元进一步滤除接收信息载波中除目标接收信息载波以外的频率分量，最终经解调单元输出与原始信息一致的信号波形。

进一步地，所述两种工作模式同时存在时，即可实现多端全双工无线能量信息同步传输。

本实施例以图2中1#端口为例，按照1#端口工作模式的不同，将本实施例中能量信息传输模式划分为两种，分别定义为“一传二”工作模式及“二传一”工作模式。图5为能量信息传输模式示意图。如图5中(a)所示，在“一传二”工作模式下，1#端口连接电源作为输入端，电源所提供的直流电压经过功率变换单元后转换为交流电压，其经过补偿网络单元后成为高频正弦功率载波，之后通过传输线圈单元传输至其他端口；同时，经过调制后的信息载波加载于1#端口回波消除阻抗单元U_tx1处，经过该端口信息加载提取电路后流入功率传输电路的补偿网络单元，再经1#端口线圈与功率载波一同传输至2#端口及3#端口线圈处。此时，2#端口连接储能装置，3#端口连接负载，均作为输出端。其线圈接收到来自1#端口的功率载波及信息载波后，通过信息加载提取单元分离功率载波与信息载波，之后将功率载波通过功率变换单元后送入储能装置或负载，实现能量输出，而信息载波则经过各自端口的回波消除阻抗单元、分频阻抗单元、解调单元等环节后输出与原始信息一致的电压信号。如图5中(b)所示，“二传一”工作模式与“一传二”工作模式类似，不同的是，此时1#端口连接负载作为输出端，其线圈接收到来自2#端口及3#端口的功率载波及信息载波后，功率载波均经过功率变换单元送入负载，信息载波则经过回波消除阻抗单元及分频阻抗单元后分为两路信息载波，并分别送入解调单元，最终输出两路分别与2#端口及3#端口原始信息一致的电压信号。在两种模式下，信息传输过程均与功率传输电路无关，且信息传输载波频率远远大于功率载波频率，对功率传输影响较小。

本发明提供的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统及方法，信息加载提取单元由电容电阻及变压器组成，可实现发射及接收信息载波的加载与提取；回波消除阻抗单元可抑制各端口发射信息载波对接收信息载波的干扰；分频阻抗单元可增强对来自不同端口接收信息载波的辨别能力；解调单元可实现由信息载波提取并输出数字信息。能量信息传输模式包括发射模式及接收模式。多端全双工无线能量信息同步传输方法可以实现多源多负载应用场合下不同端口间的无线能量信息同步传输，信息传输过程中不影响系统功率传输特性，具有灵活可靠、便于设计、易于拓展、装置体积小及成本低等优点。

Claims (10)

1.一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，该系统包括N个端口模块，N≥3，每个端口模块均包括功率传输电路和信息传输电路，功率传输电路包括功率变换单元、补偿网络单元和传输线圈单元，功率变换单元的一端接补偿网络单元，补偿网络单元的另一端接传输线圈单元；信息传输电路与补偿网络单元连接；其中至少一个端口模块的功率变换单元接电源，其余端口模块的功率变换单元接负载或储能，各端口模块之间通过传输线圈单元进行功率载波和信息载波双向传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，补偿网络单元包括补偿电感L_sn、补偿电容C_sn和谐振电容C_n，传输线圈单元包括寄生电阻R_fn和线圈自感L_n，其中，n＝1,2,…,N；补偿电感L_sn和补偿电容C_sn串联后与功率变换单元并联，谐振电容C_n、寄生电阻R_fn、线圈自感L_n和信息传输电路的变压器副边线圈依次串联后与补偿电容C_sn并联；各端口模块之间通过线圈感应连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，补偿网络单元的谐振条件为：

其中，ω_p为功率载波角频率，L_n为线圈单元各线圈的自感，L_E2n为附加电感。

4.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，信息传输电路包括信息加载提取单元、回波消除阻抗单元、第一差分放大电路、分频阻抗单元、第一解调单元和第二解调单元，信息加载提取单元一端与补偿网络单元连接，另一端与回波消除阻抗单元连接，回波消除阻抗单元输出端与第一差分放大电路连接，第一差分放大电路输出与分频阻抗单元连接，分频阻抗单元两路输出分别与第一解调单元和第二解调单元连接，第一解调单元和第二解调单元分别输出解调后的电压信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，信息加载提取单元用于实现发射及接收信息载波的加载与提取，包括变压器、电容和电阻，其中，变压器原边线圈与电容、电阻共同实现高通滤波，防止低频功率载波流入信息传输电路；变压器副边线圈与功率传输电路中的传输线圈单元串联，使信息载波与功率载波经过同一线圈在不同端口间传输；

回波消除阻抗单元用于抑制各端口发射信息载波对接收信息载波的干扰，包括电感与电阻，或电容与电阻，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由两阻值相同的电阻构成，右侧桥臂中下半部分与信息加载提取单元相连接，上半部分由电感或电容与电阻构成，当各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波；

分频阻抗单元用于增强对来自不同端口接收信息载波的辨别能力，包括多个串联的RLC带阻滤波器，各带阻滤波器从多种不同频率的接收信息载波中选取目标信息载波，以便于后续第一解调单元和第二解调单元作用；

第一解调单元和第二解调单元均用于实现由信息载波提取并输出数字信息。

6.根据权利要求4所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，信息加载提取单元包括变压器、附加电容C_E1和附加电阻R_E1，其中，变压器原边线圈L_E1的同名端与附加电容C_E1的一个极板连接，附加电容C_E1的另一个极板与附加电阻R_E1的一端连接，附加电阻R_E1的另一端与变压器原边线圈L_E1的异名端连接；变压器副边线圈L_E2的异名端与传输线圈单元的传输线圈的同名端连接，变压器副边线圈L_E2的同名端与补偿网络单元的一端连接；

回波消除阻抗单元包括第一电阻R₁、第二电阻R₂及模拟阻抗Z₂，其拓扑为单相桥式结构，包括两个桥臂，左侧桥臂由第一电阻R₁和第二电阻R₂构成，右侧桥臂下半部分与信息加载提取单元的附加电阻R_E1两端相连接，上半部分由模拟阻抗Z₂构成；两桥臂端点A、B之间连接端口模块发射信息载波电压U_tx1，两桥臂中点C、D之间输出的电压U_rx1经第一差分放大电路与分频阻抗单元连接，附加电阻R_E1端电压为U_d1；当两个桥臂各部分阻抗值满足一定关系时，回波消除阻抗单元的桥臂中点电压仅包含所需接收信息载波；

分频阻抗单元包括第一选频电感L_p2、第二选频电感L_p3、第一选频电容C_p21、第二选频电容C_p22、第三选频电容C_p31、第四选频电容C_p32、第一选频电阻R_p2、第二选频电阻R_p3和第三选频电阻R_p4，第一选频电容C_p21和第二选频电容C_p22串联后与第一选频电感L_p2并联，第一选频电阻R_p2与第一选频电容C_p21并联，第一选频电容C_p21与第一选频电感L_p2的连接点与第一差分放大电路输出连接，第一选频电感L_p2两端输出第一选频电压U⁽²⁾ _LC1；第三选频电容C_p31和第四选频电容C_p32串联后与第二选频电感L_p3并联，第二选频电阻R_p3与第三选频电容C_p31并联，第二选频电感L_p3和第三选频电容C_p31的连接点与第一选频电感L_p2和第二选频电容C_p22的连接点连接，第二选频电感L_p3两端输出第二选频电压U⁽³⁾ _LC1；第三选频电阻R_p4的一端接第四选频电容C_p32和第二选频电感L_p3的连接点，另一端接地；

第一解调单元和第二解调单元结构相同，均包括依次级联的包络检波电路、第二差分放大电路和比较输出电路，第一选频电压U⁽²⁾ _LC1与第一解调单元的包络检波电路的输入端连接，第二选频电压U⁽³⁾ _LC1与第二解调单元的包络检波电路的输入端连接，第一解调单元和第二解调单元的比较输出电路分别输出第一解调电压信号U⁽²⁾ _sig1和第二解调电压信号U⁽³⁾ _sig1。

7.根据权利要求1所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输系统，其特征在于，功率变换单元为全桥或半桥电路拓扑；补偿网络单元为LCC补偿拓扑；传输线圈单元采用平面方形线圈、圆形线圈或螺线管线圈。

8.一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输方法，其特征在于，该方法包括发射模式和接收模式；

发射模式是指系统既能实现由任意数量输入源端口向任意数量负载端口的能量发送，也能实现由任意数量端口向其余任意数量端口的信息发射；

接收模式是指系统既能实现任意数量负载端口对任意数量输入端口所发送能量的接收，也能实现任意数量端口对来自其余任意数量端口的信息接收；

发射模式和接收模式同时存在时，即能够实现多端全双工无线能量信息同步传输。

9.根据权利要求8所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输方法，其特征在于，当i#端口模块工作于发射模式时，其工作具体过程为：

(1)能量传输：i#端口模块作为输入源端口，其直流电压经功率变换单元变换为交流电压后送入补偿网络单元，补偿网络单元的谐振频率与功率变换单元的开关频率保持一致，使功率传输电路处于谐振状态，降低系统无功分量，并将交流电压滤波成高频正弦功率载波，送入传输线圈单元后再传输至其它端口模块；

(2)信息传输：经过调幅调制后的i#端口模块发射信息载波加载至回波消除阻抗单元一侧，经过回波消除阻抗单元及信息加载提取单元后，由变压器耦合至该端口模块功率传输电路的补偿网络单元处，再与功率载波一同经过i#端口模块的传输线圈单元传输至其余端口；此时，其余端口均处于接收模式，与处于发射模式的i#端口模块协同配合，其接收到的功率载波送入负载完成能量传输，而信息载波送入信息传输电路最终输出与i#端口模块原始信息内容一致的电压信号。

10.根据权利要求8所述的一种基于频分复用的多端全双工无线能量信息同步传输方法，其特征在于，接收模式具体为：

当j#端口模块的传输线圈单元拾取到来自i#端口模块的功率载波及信息载波后，j≠i，首先通过本端口模块信息加载提取单元分离接收信息载波与功率载波，抑制功率载波对信息载波造成的干扰；然后，功率载波经过补偿网络单元及功率变换单元后送至负载，完成能量传输过程，通过控制不同端口模块间功率变换单元之间移相角即能够对传输能量的大小及方向进行控制；而信息载波则经过回波消除阻抗单元，以抑制j#端口模块自身所发射的信息载波对接收到的来自其余端口的信息载波的干扰；进一步地，经过分频阻抗单元进一步滤除接收信息载波中除目标接收信息载波以外的频率分量，最终经解调单元输出与原始信息一致的信号波形。

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