CN114900397A - 一种无线电能与反向信号同步传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及技术领域，具体公开了一种无线电能与反向信号同步传输系统，包括直流电源(1)、高频逆变器(2)、方波控制模块(3)、原边能量发射模块(4)、副边能量接收模块(5)、信号调制模块(6)、信号接收模块(7)和信号解调模块(8)。本系统通过其电路及参数设计，利用方波电压中的基波分量及三次谐波分量分别用来传递电能与信号，在不影响电能传输谐振的前提下，实现了较高速率的无线电能与反向信号同步传输，同时实现了系统无功小，副边输出电压无波动，并通过有效利用谐波，提高能量利用率。副边无需外加高频电源，有效减少系统体积，通过直接控制副边信号调制电路的接入与接出实现信号反向传输，有效减少系统复杂度。

Description

一种无线电能与反向信号同步传输系统

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种无线电能与反向信号同步传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术使得电能发射端和接收端之间实现了电气隔离，消除了火灾、触电、导体外露等风险。相比于传统的导线连接的接插式的充电方法更加安全方便。在实现无线电能传输的同时，往往还需要进行信息的实时传输，如系统电压、电流大小，系统检测这些参数，以无线通信方式将其传人系统接收端控制器，实现负载管理(如电动汽车的电池管理系统)，或者对系统实现最大功率或效率的反馈跟踪与控制。

在WPT系统基础上，实现无线电能与信号同步传输(Simultaneous WirelessPower and Information Transmission SWPIT)的方法主要有三种：无线射频技术、双通道传输技术、单通道传输技术。其中无线射频技术电磁兼容性比较差，电能传输需要的强磁场会干扰通信，使得误码率增加，并且通信“握手”时间较长，存在一定的延时。双通道传输由于采用两条线圈通道分别传输电能和信号，增加了系统体积，在一些对体积严格要求的应用领域不太适用，同时，信号传输通道与能量传输通道线圈之间会产生交叉耦合，引起互扰。单通道传输只通过一条磁路通道同时传输电能与信号，充分利用了WPT系统本身特点，系统体积小，兼容性强。不需要增加额外的信号传输通路，是当下研究的热点。

对于单通道无线电能与信号同步传输技术，当前研究较多的为电能与信号正向同步传输技术，提出的方法有调幅式，调频式，载波调制式等。对于信号反向传输，目前研究较少，主要有变电容式及载波调制式等。变电容式通过改变副边补偿电容使得原边电流幅值发生变化从而实现信号的反向传输，但这也使得电能传输输出电压不稳，系统无功增加。载波调制式是通过一个小变压器将信号载波加载到电能载波波形中，使得在系统电能波形中即含有电能载波又含有信号载波，信号传输速率不受电能载波限制，传输速率较高，可以实现信号双向传输，但是信号载波的加入还需额外的电源，同时也增大了系统体积，并且由于电能传输通道中的电感的存在，对信号传输会造成一定的电压增益减少。文献《一种副边斩控无线电能与信息同时传输系统》提出一种在副边整流侧加入一个斩波电路，通过PID控制开关管导通角实现负载恒压输出，通过切换斩波电路开关管工作频率实现了信号的反向传输，但是对于原边系统电流失谐严重，无功较大。

发明内容

本发明提供一种无线电能与反向信号同步传输系统，解决的技术问题在于：如何在副边不外加高频电源的情况下，实现信号传输与电能传输解耦的较高速率的无线电能与反向信号同步传输，并在保证信号反向传输的同时，实现系统无功小、副边输出电压无波动。

本发明提供的一种无线电能与反向信号同步传输系统，包括设置在原边的直流电源1、高频逆变器2、方波控制模块3、原边能量发射模块4、信号接收模块7、信号解调模块8，以及设置在副边的能量接收模块5和信号调制模块6；所述原边能量发射模块4中包括顺序串联在高频逆变器2两输出端的原边电能补偿电容C_p、原边发射线圈L_p和信号发送线圈L_pn；所述能量接收模块5中包括顺序连接的副边接收线圈L_s、信号阻波电路、副边电能补偿电容C_s和等效负载电阻R_eq，在所述副边接收线圈L_s两端还依次串接有信号调制补偿电容C_sn、电能阻波电路和双向开关K，所述双向开关K的驱动端与所述信号调制模块6的输出端连接；

所述信号接收模块7包括信号接收线圈L_n、信号接收补偿电容C_n以及信号检测电阻R_n，所述信号接收线圈L_n与信号发送线圈L_pn耦合；所述信号检测电阻R_n输出采样电压至所述信号解调模块8；

能量正向传输时，所述方波控制模块3控制所述高频逆变器2，使得所述直流电源1经过所述高频逆变器2后产生一个方波电压输入至所述原边能量发射模块4中；所述方波电压的基波分量角频率为ω₁，k次谐波分量角频率为ω_k；所述副边接收线圈L_s、所述信号阻波电路、所述副边电能补偿电容C_s和负载构成基波电能传输通道并在角频率ω₁下谐振；所述电能阻波电路用于阻碍基波分量；

信号反向传输时，所述信号调制模块6将基带信号转变为开关控制信号，开关控制信号通过对双向开关K的通断控制，实现反向信号的调制；所述信号阻波电路用于阻碍k次谐波分量，所述信号接收模块7中的信号接收线圈L_n和信号接收补偿电容C_n构成谐振电路并在角频率ω_k下谐振。

优选的，所述信号阻波电路包括并联连接的信号阻波电感L_z和信号阻波补偿电容C_z，所述电能阻波电路包括并联连接的电能阻波电感L_sz和电能阻波补偿电容C_sz。

具体的，在角频率ω₁与角频率ω_k下，所述副边接收线圈L_s、所述信号阻波电感L_z、所述信号阻波补偿电容C_z与所述电能补偿电容C_s满足方程：

具体的，在角频率ω₁与角频率ω_k下，所述副边接收线圈L_s、所述电能阻波电感L_sz、所述电能阻波补偿电容C_sz与所述信号调制补偿电容C_sn满足方程：

具体的，在角频率ω₁下，所述原边电能补偿电容C_p、所述信号发送线圈L_pn与所述原边发射线圈L_p满足方程：

在角频率ω_k下，所述信号接收线圈L_n、所述信号接收补偿电容C_n与所述信号检测电阻R_n满足方程：

具体的，当传输信号“1”时，所述信号调制模块6控制所述双向开关K关断，当传输信号“0”时，所述信号调制模块6控制所述双向开关K导通，所述信号调制模块6通过不断地控制所述双向开关K的通断，原边k次谐波电流幅值会出现相应的信号特征变化，从而实现信号“0”和“1”的调制；

通过采样所述信号检测电阻R_n上带有信号特征的k次谐波电压，并通过所述信号解调模块8对k次谐波电压进行包络检波还原出原始信号。

优选的，所述双向开关K在不同状态下所述信号检测电阻R_n上的调制电压比Y满足：

H＝0代表所述双向开关K断开，H＝1代表所述双向开关K闭合，

代表基波分量下所述信号检测电阻R_n的电压，

代表k次谐波分量下所述信号检测电阻R_n的电压。

优选的，在所述双向开关K断开及闭合时满足：

代表基波分量下所述等效负载电阻R_eq的电压，

代表k次谐波分量下所述等效负载电阻R_eq的电压。

优选的，在所述双向开关K断开及闭合时满足：

H＝0代表所述双向开关K断开，H＝1代表所述双向开关K闭合，

代表基波分量下所述信号检测电阻R_n的电压，

代表k次谐波分量下所述信号检测电阻R_n的电压。

优选的，k＝3，k次谐波分量则为3次谐波分量，角频率ω_k则为角频率ω₃。

本发明提供的一种无线电能与反向信号同步传输系统，通过其电路及参数设计，利用方波电压中的基波分量及三次谐波分量分别用来传递电能与信号，在不影响电能传输谐振的前提下，实现了较高速率的无线电能与反向信号同步传输，同时实现了系统无功小，副边输出电压无波动，并通过有效利用谐波，提高能量利用率。副边无需外加高频电源，有效减少系统体积，通过直接控制副边信号调制电路的接入与接出实现信号反向传输，有效减少系统复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无线电能与反向信号同步传输系统的电路拓扑图；

图2是本发明实施例提供的调制电压比Y随R_n变化曲线图；

图3是本发明实施例提供的不同开关状态下，原边电流FFT分析图；

图4是本发明实施例提供的系统仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

在副边不外加高频电源的情况下，实现信号传输与电能传输解耦的较高速率的无线电能与反向信号同步传输，并在保证信号反向传输的同时，实现系统无功小、副边输出电压无波动，本发明实施例提供了一种无线电能与反向信号同步传输系统，如图1所示，该系统包括设置在原边的直流电源1、高频逆变器2、方波控制模块3、原边能量发射模块4、信号接收模块7、信号解调模块8，以及设置在副边的能量接收模块5和信号调制模块6。

具体的，原边能量发射模块4中包括顺序串联在高频逆变器2两输出端的原边电能补偿电容C_p、原边发射线圈L_p和信号发送线圈L_pn；能量接收模块5中包括顺序连接的副边接收线圈L_s、信号阻波电路、副边电能补偿电容C_s和等效负载电阻R_eq，在副边接收线圈L_s两端还依次串接有信号调制补偿电容C_sn、电能阻波电路和双向开关K，双向开关K的驱动端与信号调制模块6的输出端连接。

具体的，信号接收模块7包括信号接收线圈L_n、信号接收补偿电容C_n以及信号检测电阻R_n，信号接收线圈L_n与信号发送线圈L_pn耦合；信号检测电阻R_n输出采样电压至信号解调模块8。

能量正向传输时，方波控制模块3控制高频逆变器2，使得直流电源1经过高频逆变器2后产生一个方波电压输入至原边能量发射模块4中；方波电压的基波分量角频率为ω₁，k次谐波分量角频率为ω_k；副边接收线圈L_s、信号阻波电路、副边电能补偿电容C_s和负载构成基波电能传输通道并在角频率ω₁下谐振；电能阻波电路用于阻碍基波分量。

信号反向传输时，信号调制模块6将基带信号转变为开关控制信号，开关控制信号通过对双向开关K的通断控制，实现反向信号的调制；信号阻波电路用于阻碍k次谐波分量，信号接收模块7中的信号接收线圈L_n和信号接收补偿电容C_n构成谐振电路并在角频率ω_k下谐振。

方波控制模块3控制高频逆变器2，使得直流电源1经过高频逆变器2后产生一个高频的方波电压，该方波电压等效成基波分量(基波电压)与多个奇次谐波分量(奇次谐波电压)叠加而成。该方波电压的函数表达式为：

本系统利用其中的基波分量传输电能，k次谐波分量传输反向信号，下文均以3次谐波分量为例，即k＝3。

如图1所示，副边可等效看作包括一个电能传输电路和信号传输电路，信号传输电路设置在角频率ω_k下谐振，电能传输电路设置在角频率ω₁下谐振，实现副边奇次谐波分量与基波分量的解耦，奇次谐波分量通过信号传输电路传输信号，基波分量通过电能传输电路为等效负载电阻R_eq供电。

信号调制模块6将基带信号转变为开关控制信号，开关控制信号通过对双向开关K的通断控制，实现反向信号的调制。具体是，当传输信号“1”时控制双向开关K关断，三次谐波下，由于信号阻波电路的存在，此时副边电能传输电路等效为断路，副边信号传输回路呈现近似无穷阻抗特性，使得反射至原边等效阻抗无穷小，此时三次谐波电流大小只与原边参数有关。当传输信号“0”时，控制双向开关K导通。副边电能传输电路仍然等效断路，而副边信号回路呈现近似零阻抗特性，使得反射至原边等效阻抗无穷大，此时原边三次谐波电流近似为零。通过不断地控制双向K的通断，原边三次谐波电流幅值会出现相应的信号特征变化，从而实现信号“0”和“1”的调制。

信号接收模块7设置在角频率ω_k下谐振，实现原边k次谐波电压与基波电压的解耦。具体是，信号接收线圈L_n与信号接收补偿电容C_n在角频率ω₃下谐振，实现基波与三次谐波的解耦，通过采样信号检测电阻R_n上带有信号特征的三次谐波电压，并通过信号解调电路对其进行包络检波还原出原始信号。

更具体的，对于电能传输通道，在原边，为实现基波电能传输无功小，同时减少信号发射线圈L_pn的影响，在角频率ω₁下，原边电能补偿电容C_p与信号发送线圈L_pn及原边发射线圈L_p满足方程：

在副边，电能传输通道在角频率ω₁下谐振，同时为减少信号对电能传输的影响，在电能传输通道上构建了一个由信号阻波电感L_z和信号阻波补偿电容C_z并联构成的信号阻波电路，使得在角频率ω₃下，电能传输通道等效成一个大阻抗，可以看成断路。此时，在角频率ω₁与角频率ω₃下，副边接收线圈L_s、信号阻波电感L_z、信号阻波补偿电容C_z与电能补偿电容C_s满足方程：

在副边，为实现反向信号的调制的可行性，使信号传输通道在角频率ω₃下谐振，同时，为减少在调制信号过程中信号传输电路的通断对电能传输造成影响，在信号传输电路上，构建了一个由电能阻波电感L_sz和电能阻波补偿电容C_sz并联构成的电能阻波电路，使得在角频率ω₁下，信号传输通道一直等效成一个大阻抗，看成断路，从而减少在调制信号过程中信号传输电路的通断对电能传输的影响。此时，在角频率ω₁与角频率ω₃下，副边接收线圈L_s、电能阻波电感L_sz、电能阻波补偿电容C_sz与信号调制补偿电容C_sn满足方程：

在原边，为实现基波电能与三次谐波信号的解耦，信号接收模块7设置在角频率ω₃下谐振，此时，在角频率ω₃下，信号接收线圈L_n、信号接收补偿电容C_n与信号检测电阻R_n满足方程：

根据附图1，可得：在k次谐波下，系统副边总阻抗Z_2k为：

其中R_z、R_sz及R_s分别代表相应线圈L_z、L_sz、L_s的内电阻，H代表开关系数，“H＝1”代表开关闭合，“H＝0”代表开关断开，实现特征信号的“0”、“1”调制。Z_zk代表在k次谐波下，信号阻波电路与副边电能补偿电容C_s和等效负载电阻R_eq串联阻抗之和；Z_snk代表在k次谐波下，电能阻波电路与信号调制补偿电容C_sn串联阻抗之和。

则系统总阻抗Z_ik为：

其中，R_p代表原边发射线圈L_p的内电阻，M₁代表L_p与L_s之间的互感，M₂代表L_pn与L_n之间的互感，Z_nk代表在k次谐波下，信号接收模块7的总阻抗，Z_pk代表在k次谐波下，原边电能补偿电容C_p、原边发射线圈L_p及其内电阻R_p和信号发送线圈L_pn串联阻抗之和。

则k次谐波下原边电流

及信号检测电阻R_n的电压

分别表示为：

其中U_ik代表方波分解的第k次电压有效值。不考虑五次及其以上次谐波，结合式(1)至(8)，为有效提取信号特征，定义开关K在不同状态下信号检测电阻R_n上调制电压比Y：

H＝1代表K闭合，H＝0代表K断开，调制电压比Y与信号检测电阻R_n的取值有关，Y越大，信号特征越明显，但是信号检测电阻R_n的取值与系统响应时间正相关，信号检测电阻R_n的取值越大，系统从信号状态“0”转换到信号状态“1”所需的时间越长，越不利于信号解调，为满足基本信号电压特征，取Y>2，依据调制电压比Y的表达式(9)可得调制电压比Y随信号检测电阻R_n变化曲线如图2所示，本例取R_n＝50Ω。R_n＝50Ω取值下，不同开关状态下，原边电流FFT分析如图3。图3的横坐标表示谐波次数，纵坐标表示谐波电流幅值与基波电流幅值的百分比，从图3可以看出，在不同的开关状态下，基波电流基本不变(图表正上方显示有基波电流值)，而原边电流三次谐波含量不同，这说明三次谐波电流幅值会随着不同的开关状态发生变化信号特征的变化，说明信号的调制策略是可行的，将这种带有信号特征的变化提取出来，就可以实现信号的解调。

通过在副边改变信号回路的接入与接出来实现信号调制，在原边通过构建信号传输电路实现三次谐波信号与基波电能的分离，但是电能与信号是通过同一磁路传输，信号对电能或电能对信号之间都存在互扰。

信号传输对电能传输的扰动分析：

由前述分析可知，k次谐波下等效负载电阻R_eq电压为：

不考虑五次及其以上次谐波，为避免信号对电能的影响，在H＝1及H＝0时应满足：

电能传输对信号传输的扰动分析：

不考虑五次及其以上次谐波，由式(8)可知在角频率ω₁和角频率ω₃下，信号检测电阻R_n上电压分别为：

为避免电能对信号的干扰，应满足：

H＝1时，三次谐波电压下信号检测电阻R_n的电压为

基波电压下信号检测电阻R_n的电压为

H＝0时，三次谐波电压下信号检测电阻R_n的电压为

基波电压下信号检测电阻R_n的电压为

根据上述内容，系统的参数设计流程大致包括步骤：

(1)确定角频率ω₁，根据式(2)、(3)、(4)、(5)预先设计一组电路元件参数初始值；

(2)根据式(9)确定信号检测电阻R_n；

(3)利用系统设计的参数值判断是否存在信号对电能传输的串扰，若存在串扰则返回步骤(1)中重新设计；

(4)利用系统设计的参数值判断是否存在电能对信号传输的串扰，若存在串扰则返回步骤(1)中重新设计。

依据上述流程进行系统参数设计，基于matlab/simulink仿真平台对系统参数进行设计，得到表1：

表1参数取值

其中，f₁、f₃分别为角频率ω₁、ω₃对应的工作频率，ω₁＝2πf₁，ω₃＝2πf₃。

图4为系统仿真波形图，可以看出，在反向传输速率为10kbit/s时，实现了可靠的信号传输，同时电能波形输出无波动，系统无功小。

综上，本发明实施例提供的一种无线电能与反向信号同步传输系统，通过其电路及参数设计，利用方波电压中的基波分量及三次谐波分量分别用来传递电能与信号，在不影响电能传输谐振的前提下，实现了较高速率的无线电能与反向信号同步传输，同时实现了系统无功小，副边输出电压无波动，并通过有效利用谐波，提高能量利用率。副边无需外加高频电源，有效减少系统体积，通过直接控制副边信号调制电路的接入与接出实现信号反向传输，有效减少系统复杂度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，包括设置在原边的直流电源(1)、高频逆变器(2)、方波控制模块(3)、原边能量发射模块(4)、信号接收模块(7)、信号解调模块(8)，以及设置在副边的能量接收模块(5)和信号调制模块(6)；所述原边能量发射模块(4)中包括顺序串联在高频逆变器(2)两输出端的原边电能补偿电容C_p、原边发射线圈L_p和信号发送线圈L_pn；所述能量接收模块(5)中包括顺序连接的副边接收线圈L_s、信号阻波电路、副边电能补偿电容C_s和等效负载电阻R_eq，在所述副边接收线圈L_s两端还依次串接有信号调制补偿电容C_sn、电能阻波电路和双向开关K，所述双向开关K的驱动端与所述信号调制模块(6)的输出端连接；

所述信号接收模块(7)包括信号接收线圈L_n、信号接收补偿电容C_n以及信号检测电阻R_n，所述信号接收线圈L_n与信号发送线圈L_pn耦合；所述信号检测电阻R_n输出采样电压至所述信号解调模块(8)；

能量正向传输时，所述方波控制模块(3)控制所述高频逆变器(2)，使得所述直流电源(1)经过所述高频逆变器(2)后产生一个方波电压输入至所述原边能量发射模块(4)中；所述方波电压的基波分量角频率为ω₁，k次谐波分量角频率为ω_k；所述副边接收线圈L_s、所述信号阻波电路、所述副边电能补偿电容C_s和负载构成基波电能传输通道并在角频率ω₁下谐振；所述电能阻波电路用于阻碍基波分量；

信号反向传输时，所述信号调制模块(6)将基带信号转变为开关控制信号，开关控制信号通过对双向开关K的通断控制，实现反向信号的调制；所述信号阻波电路用于阻碍k次谐波分量，所述信号接收模块(7)中的信号接收线圈L_n和信号接收补偿电容C_n构成谐振电路并在角频率ω_k下谐振。

2.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于：所述信号阻波电路包括并联连接的信号阻波电感L_z和信号阻波补偿电容C_z，所述电能阻波电路包括并联连接的电能阻波电感L_sz和电能阻波补偿电容C_sz。

3.根据权利要求2所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，在角频率ω₁与角频率ω_k下，所述副边接收线圈L_s、所述信号阻波电感L_z、所述信号阻波补偿电容C_z与所述电能补偿电容C_s满足方程：

4.根据权利要求2所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，在角频率ω₁与角频率ω_k下，所述副边接收线圈L_s、所述电能阻波电感L_sz、所述电能阻波补偿电容C_sz与所述信号调制补偿电容C_sn满足方程：

5.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，

在角频率ω₁下，所述原边电能补偿电容C_p、所述信号发送线圈L_pn与所述原边发射线圈L_p满足方程：

ω₁ ²C_p(L_p+L_pn)＝1；

在角频率ω_k下，所述信号接收线圈L_n、所述信号接收补偿电容C_n与所述信号检测电阻R_n满足方程：

6.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于：

当传输信号“1”时，所述信号调制模块(6)控制所述双向开关K关断，当传输信号“0”时，所述信号调制模块(6)控制所述双向开关K导通，所述信号调制模块(6)通过不断地控制所述双向开关K的通断，原边k次谐波电流幅值会出现相应的信号特征变化，从而实现信号“0”和“1”的调制；

通过采样所述信号检测电阻R_n上带有信号特征的k次谐波电压，并通过所述信号解调模块(8)对k次谐波电压进行包络检波还原出原始信号。

7.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，所述双向开关K在不同状态下所述信号检测电阻R_n上的调制电压比Y满足：

H＝0代表所述双向开关K断开，H＝1代表所述双向开关K闭合，

代表基波分量下所述信号检测电阻R_n的电压，

代表k次谐波分量下所述信号检测电阻R_n的电压。

8.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，在所述双向开关K断开及闭合时满足：

代表基波分量下所述等效负载电阻R_eq的电压，

代表k次谐波分量下所述等效负载电阻R_eq的电压。

9.根据权利要求1所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于，在所述双向开关K断开及闭合时满足：

H＝0代表所述双向开关K断开，H＝1代表所述双向开关K闭合，

代表基波分量下所述信号检测电阻R_n的电压，

代表k次谐波分量下所述信号检测电阻R_n的电压。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种无线电能与反向信号同步传输系统，其特征在于：k＝3，k次谐波分量则为3次谐波分量，角频率ω_k则为角频率ω₃。

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