CN116980000B - 基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线能量信号同传技术领域，具体公开了一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法，通过将原副边补偿网络设计为双谐振带电路，使系统在只需要传输能量时在两个不同频率下都能保持较高的双向能量传输效率，并设置与原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路和与副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，从而在需要信号传输时将双谐振带电路其中一个频率用于信号传输另一个频率继续传输能量，通过双谐振频率交替进行系统能量和信号同步传输，通过信号检波电路进行信号接收，实现利用电能传输通道实现能量信号的双向同传，并且该系统能主动发送指令来控制能量与信号的传输流向。

Description

基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线能量信号同传技术领域，尤其涉及一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法。

背景技术

无线电能传输技术(WPT)是一种借助于软介质实现电能以无线方式进行传递的新兴技术，随着物联网时代的到来和智能电网巨大的市场前景，无线电能传输技术(WPT)在市场中受到越来越多的青睐。它利用高频磁场、电场和超声波等中间载体将能量以电气隔离的方式从电源传输至用电设备，与传统供电方式相比，具有安全、便捷、灵活等优点，在生活中各种场合都得到应用，如无尾家电、医疗器械、电动汽车等。

电网端供电总量是不变的，而用电端存在高峰期和低谷期，用电高峰期一般是在白天，电能供给可能不够，晚上则是低谷，电能又存在一定的浪费。如此庞大的电动汽车数量，增强其与电网的能量互动，即电动汽车到电网技术(Vehicle to Grid，V2G)，在晚上的用电低谷期用于供给电动汽车充电，白天高峰期闲置的电动汽车将能量回馈到电网端，以此来削峰填谷，提高电能利用率，实现能量更均衡有效的利用。如果电动汽车与电网两者间的充放电过程均采用MC-WPT技术，无疑会提升电动汽车与电网的交互能力，使得整个系统更加方便、高效、灵活和可靠，从而更加智能和充分地发挥V2G的作用。因此，对双向磁耦合无线电能传输(双向MC-WPT)技术的研究需求越来越迫切。

在双向WPT系统中，发送端和接收端之间的实时信息通信对于稳定可控的能量传输至关重要。在实际应用当中许多产品需要配套的通信系统，针对无线电能传输系统，传统的设计方案会增加额外的WIFI等通信模块，系统需要额外的空间来布置天线，对于对体积要求较为严格的场合，设计一种能够利用电能传输通道传输信息的方法显得十分必要。

发明内容

本发明提供基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法，解决的技术问题在于：如何利用电能传输通道实现能量信号的双向同传。

为解决以上技术问题，本发明提供基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统，包括电网侧和负载侧；所述电网侧包括顺序连接的原边直流电源(U_p)、原边逆变电路、原边双谐振带电路、与所述原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路，以及连接所述原边逆变电路和所述原边信号检波电路的原边控制器；所述负载侧包括顺序连接的副边双谐振带电路、副边逆变电路、副边直流电源(U_s)、与所述副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，以及连接所述副边逆变电路和所述副边信号检波电路的副边控制器；

当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中。

具体的，所述原边双谐振带电路包括原边LC串联支路和原边LC并联支路，所述原边LC串联支路由串联在所述原边逆变电路的一个输出端与所述原边LC并联支路的一输入端之间的原边电感L_ps和原边串联电容C_ps组成，所述原边LC并联支路由并联的原边并联电容C_pp和原边线圈L_p组成；

f₁和f₂满足：

其中，表示系统的工作角频率，ω_l、ω_h分别为系统工作在ω_p时低频段和高频段的谐振角频率，x、y是为简化ω_l、ω_h表达形式自定义的参数，f₁和f₂为与ω_l、ω_h对应的谐振频率。

具体的，x、y的设计满足：

具体的，所述副边双谐振带电路与所述原边双谐振带电路对称设计。

具体的，所述原边信号检波电路包括串联在所述原边逆变电路的两个输出端之间的原边开关管S_p5和信号检波电路，所述原边开关管S_p5的控制端连接所述原边控制器。

具体的，所述副边信号检波电路与所述原边信号检波电路对称设计。

本发明还提供一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，其关键在于，包括步骤：

当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中。

进一步地，该方法还包括步骤：

当需要实现能量的正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

当需要实现能量的反向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式。

进一步地，在系统开启时，默认系统处于能量正向传输工作模式，此时所述电网侧需要向所述负载侧发送信号时，则切换系统至能量与信号正向传输工作模式，具体切换过程为：

所述原边控制器控制所述原边逆变电路先切换至工作频率ω₁经过预设时间段后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，所述副边控制器检测到副边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，所述副边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。

进一步地，在能量与信号正向传输工作模式下，若所述副边信号检波电路接收的信号为反向信号则需要将系统切换至能量反向传输工作模式，具体的切换过程为：

所述原边控制器在发出所述反向信号预设时间段后控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器在解析出所述反向信号时，控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

在能量反向传输工作模式下，此时所述负载侧需要向所述电网侧发送信号时，则切换系统至能量与信号反向传输工作模式，具体切换过程为：

所述副边控制器控制所述副边逆变电路先切换至工作频率ω₁经过预设时间段后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器检测到原边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，所述原边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。

本发明提供的基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法，通过将原副边补偿网络设计为双谐振带电路，使系统在只需要传输能量时在两个不同频率下都能保持较高的双向能量传输效率，并设置与原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路和与副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，从而在需要信号传输时将双谐振带电路其中一个频率用于信号传输另一个频率继续传输能量，通过双谐振频率交替进行系统能量和信号同步传输，通过信号检波电路进行信号接收，实现利用电能传输通道实现能量信号的双向同传，并且该系统能主动发送指令来控制能量与信号的传输流向。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的电路拓扑图；

图2是本发明实施例提供的原边双谐振带电路的电路拓扑图；

图3是本发明实施例提供的从能量与信号正向传输模式切换至能量与信号反向传输模式的流程图。

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。

本发明实施例提供一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统，如图1的电路拓扑所示，该系统包括电网侧和负载侧；电网侧包括顺序连接的原边直流电源(U_p)、原边逆变电路、原边双谐振带电路、与原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路，以及连接原边逆变电路和原边信号检波电路的原边控制器；负载侧包括顺序连接的副边双谐振带电路、副边逆变电路、副边直流电源(U_s)、与副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，以及连接副边逆变电路和副边信号检波电路的副边控制器。

参考图1，原边双谐振带电路包括原边LC串联支路和原边LC并联支路，原边LC串联支路由串联在原边逆变电路的一个输出端与原边LC并联支路的一输入端之间的原边电感L_ps和原边串联电容C_ps组成，原边LC并联支路由并联的原边并联电容C_pp和原边线圈L_p组成。副边双谐振带电路与原边双谐振带电路对称设计，包括副边LC串联支路和副边LC并联支路，副边LC串联支路由串联在副边逆变电路的一个输入端与副边LC并联支路的一输出端之间的副边电感L_ss和副边串联电容C_ss组成，副边LC并联支路由并联的副边并联电容C_sp和副边线圈Ls组成。

参考图1，原边信号检波电路包括串联在原边逆变电路的两个输出端之间的原边开关管S_p5和信号检波电路，原边开关管S_p5的控制端连接原边控制器。副边信号检波电路与原边信号检波电路对称设计，即包括串联在副边逆变电路的两个输入端之间的副边开关管S_s5和信号检波电路，副边开关管S_s5的控制端连接副边控制器。

与传统的信号频带WPT系统相比，双频带WPT系统在两个不同的谐振频率下都具有较高的系统效率。原边双谐振带电路拓扑如下图2所示。

设为并联支路的谐振频率，则整个原边双谐振带电路的阻抗可表示为：

其中，ω表示系统的工作角频率。由式(1)可知，当系统工作频率为ω_P时，Z_D可以无穷大，因此流过电路的电流在该频率处较弱。对Z_D进行求解可以得到两个谐振频率：

x、y是为简化ω_l、ω_h表达形式自定义的参数，x定义为串联电感L_ps与并联电感L_p之比，y定义为串联电容C_ps与并联电容C_pp之比，ω_l、ω_h分别为低频段和高频段的谐振角频率，ω_l、ω_h对应的频率分别为f₁和f₂。

双谐振带电路在两个频率下的质量因数为：

其中，R表示电路中损耗电阻。

双谐振带电路的电特性，包括各电路元件的寄生电阻值，是涡流和蒙皮效应共同作用的结果，主要受工作频率的影响。因此，应将两个谐振频率设置得尽可能接近。或者，电路在两个谐振点处应具有相似的质量因子Q。此外，谐振电路的高质量因子Q有利于WPT的性能。满足以下条件的双谐振带电路可以提供两个相似的谐振点，且这两个谐振点具有相同且高质量的因子Q，故x、y需满足：

当需要能量与信号从电网侧传输到负载侧即正向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式(S_p1-S_p4交替开通)并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在整流模式(S_s1-S_s4关断)并控制副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从负载侧传输到电网侧即反向传输时，副边控制器控制副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式(S_s1-S_s4交替开通)并控制副边信号检波电路关闭，原边控制器控制原边逆变电路工作在整流模式(S_p1-S_p4关断)并控制原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中。

而当需要实现能量的正向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在整流模式并控制副边信号检波电路关闭；

而当需要实现能量的反向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在整流模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式。

对应于上述系统，本实施例还提供一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，具体包括步骤：

当需要能量与信号从电网侧传输到负载侧即正向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在整流模式并控制副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从负载侧传输到电网侧即反向传输时，副边控制器控制副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制副边信号检波电路关闭，原边控制器控制原边逆变电路工作在整流模式并控制原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中。

而只需要传输能量，不需要传输信号时，控制相应的信号检波电路关闭，频率f₁和f₂均用于发射能量。即：

当需要实现能量的正向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在整流模式并控制副边信号检波电路关闭；

当需要实现能量的反向传输时，原边控制器控制原边逆变电路工作在整流模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器控制副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式。

在系统开启时，默认系统处于能量正向传输工作模式，此时电网侧需要向负载侧发送信号时，则切换系统至能量与信号正向传输工作模式，具体切换过程为：

原边控制器控制原边逆变电路先切换至工作频率ω₁(与ω_p相差较大)经过预设时间段(2s以内)后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，副边控制器检测到副边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，副边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式，通过这种方式先将原边要发送信号的消息告知副边，从而副边再进行模式的切换。

在能量与信号正向传输工作模式下，若副边信号检波电路接收的信号为反向信号则需要将系统切换至能量反向传输工作模式，参考图3的工作流程图，具体的切换过程为：

原边控制器在发出反向信号预设时间段后控制原边逆变电路工作在整流模式并控制原边信号检波电路关闭，副边控制器在解析出反向信号时，控制副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制副边信号检波电路关闭；

在能量反向传输工作模式下，此时负载侧需要向电网侧发送信号时，则切换系统至能量与信号反向传输工作模式，具体切换过程为：

副边控制器控制副边逆变电路先切换至工作频率ω₁经过预设时间段后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，并控制副边信号检波电路关闭，原边控制器检测到原边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，原边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式，通过这种方式先将副边要发送信号的消息告知原边，从而原边再进行模式的切换。

反之，由能量与信号反向传输模式切换至能量与信号正向传输模式同理。

如此，实现了利用电能传输通道实现信号的双向同传，也实现了能量信号的换向。

综上，本发明提供的一种基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法，通过将原副边补偿网络设计为双谐振带电路，使系统在只需要传输能量时在两个不同频率下都能保持较高的双向能量传输效率，并设置与原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路和与副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，从而在需要信号传输时将双谐振带电路其中一个频率用于信号传输另一个频率继续传输能量，通过双谐振频率交替进行系统能量和信号同步传输，通过信号检波电路进行信号接收，实现利用电能传输通道实现能量信号的双向同传，并且该系统能主动发送指令来控制能量与信号的传输流向。

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 (5)

1.基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统，其特征在于，包括电网侧和负载侧；所述电网侧包括顺序连接的原边直流电源(U_p)、原边逆变电路、原边双谐振带电路、与所述原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路，以及连接所述原边逆变电路和所述原边信号检波电路的原边控制器；所述负载侧包括顺序连接的副边双谐振带电路、副边逆变电路、副边直流电源(U_s)、与所述副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，以及连接所述副边逆变电路和所述副边信号检波电路的副边控制器；

当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中；

所述原边双谐振带电路包括原边LC串联支路和原边LC并联支路，所述原边LC串联支路由串联在所述原边逆变电路的一个输出端与所述原边LC并联支路的一输入端之间的原边电感L_ps和原边串联电容C_ps组成，所述原边LC并联支路由并联的原边并联电容C_pp和原边线圈L_p组成；

f₁和f₂满足：

其中，表示系统的工作角频率，ω_l、ω_h分别为系统工作在ω_p时低频段和高频段的谐振角频率，x、y是为简化ω_l、ω_h表达形式自定义的参数，f₁和f₂为与ω_l、ω_h对应的谐振频率；

x、y的设计满足：

所述副边双谐振带电路与所述原边双谐振带电路对称设计；

所述原边信号检波电路包括串联在所述原边逆变电路的两个输出端之间的原边开关管S_p5和信号检波电路，所述原边开关管S_p5的控制端连接所述原边控制器；

所述副边信号检波电路与所述原边信号检波电路对称设计。

2.根据权利要求1所述基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：

当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通；

频率f₁和f₂为系统工作在频率ω_p时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f₁或f₂中。

3.根据权利要求2所述的基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

当需要实现能量的正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

当需要实现能量的反向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式。

4.根据权利要求3所述的基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，其特征在于，

在系统开启时，默认系统处于能量正向传输工作模式，此时所述电网侧需要向所述负载侧发送信号时，则切换系统至能量与信号正向传输工作模式，具体切换过程为：

所述原边控制器控制所述原边逆变电路先切换至工作频率ω₁经过预设时间段后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，所述副边控制器检测到副边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，所述副边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。

5.根据权利要求4所述的基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统的控制方法，其特征在于，在能量与信号正向传输工作模式下，若所述副边信号检波电路接收的信号为反向信号则需要将系统切换至能量反向传输工作模式，具体的切换过程为：

所述原边控制器在发出所述反向信号预设时间段后控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器在解析出所述反向信号时，控制所述副边逆变电路工作在频率为ω_p的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

在能量反向传输工作模式下，此时所述负载侧需要向所述电网侧发送信号时，则切换系统至能量与信号反向传输工作模式，具体切换过程为：

所述副边控制器控制所述副边逆变电路先切换至工作频率ω₁经过预设时间段后再切换回工作频率ω_p进行信号调制，并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器检测到原边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f₁或f₂开通，所述原边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。