一種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及一種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系 統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸技術(shù)（WirelessPowerTransfer，WPT)實(shí)現(xiàn)了電源到負(fù)載的無線 供電，克服了直接電接觸對(duì)設(shè)備的束縛，解決了移動(dòng)電氣設(shè)備（或特殊環(huán)境設(shè)備）的電能 靈活、安全接入等問題。近年來，電場(chǎng)親合無線電能傳輸（Electric-fieldCoupledPower Transfer，ECPT)技術(shù)成為了無線電能傳輸領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，ECPT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：具有 耦合電極簡(jiǎn)易輕薄并且形狀不受限制；系統(tǒng)具有較好的柔韌性并且整體的成本低；拾取負(fù) 載端電路的設(shè)計(jì)形式多樣性較強(qiáng)；絕大部分電通量分布于電極之間，對(duì)周圍環(huán)境的電磁干 擾很??；電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)之間或周圍存在金屬導(dǎo)體時(shí)，不會(huì)引起導(dǎo)體產(chǎn)生渦流損耗。國(guó)內(nèi)外專 家學(xué)者圍繞移動(dòng)機(jī)器人，生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備，3D絕緣硅超大規(guī)模集成電路，無線充電器及電 動(dòng)汽車等諸多應(yīng)用領(lǐng)域展開研究。
[0003] 目前ECPT系統(tǒng)研究主要側(cè)重于電能的無線傳輸，但在很多應(yīng)用領(lǐng)域中不僅需要 能量的無線傳輸，還需要實(shí)現(xiàn)能量與信號(hào)的并行傳輸。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已圍繞WPT系統(tǒng)的能量 信號(hào)并行傳輸展開研究，但主要集中于ICPT系統(tǒng)。由于ECPT系統(tǒng)采用耦合電容代替ICPT 的耦合電感，而電容對(duì)高頻信號(hào)的衰減效果遠(yuǎn)小于電感，所以ECPT系統(tǒng)的這一本質(zhì)特性使 得ECPT系統(tǒng)中信號(hào)傳遞效果更優(yōu)。目前ICPT的能量信號(hào)并行傳輸研究中主要分為以下幾 類，（1)是以信號(hào)傳遞為主導(dǎo)，輔以能量傳遞，適用于mW級(jí)小功率設(shè)備；（2)是采用電力載 波，通過信號(hào)與電能波形分離實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞；（3)是以電壓波形為載波通過ASK和FSK等方 式傳遞信號(hào)。在ECPT領(lǐng)域的能量與信號(hào)并行傳輸?shù)难芯可猩伲瑑H局限于信號(hào)傳遞主導(dǎo)的小 功率的能量傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明首先提出一種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系 統(tǒng)，在不影響能量傳遞的前提下，實(shí)現(xiàn)了原副邊信號(hào)半雙工無線通信。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：
[0006] -種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)，包括電源電路、原邊功率變換電路、能 量耦合機(jī)構(gòu)、副邊功率變換電路以及負(fù)載，所述能量耦合機(jī)構(gòu)由兩塊發(fā)射極板和兩塊接收 極板構(gòu)成，其關(guān)鍵在于：在兩塊發(fā)射極板之間并聯(lián)有原邊通信電路，在兩塊接收極板之間并 聯(lián)有副邊通信電路，所述原邊通信電路設(shè)置有第一隔離電容Cgl和第一變壓耦合器Tgl，所述 第一隔離電容Cgl的一端連接在一塊發(fā)射極板上，該第一隔離電容Cgl的另一端串接所述第 一變壓耦合器Tgl的一個(gè)繞組后連接在另一塊發(fā)射極板上，所述第一變壓耦合器Tgl的另一 繞組作為原邊信號(hào)收/發(fā)接口，所述副邊通信電路設(shè)置有第二隔離電容Cg2和第二變壓耦合 器Tg2，所述第二隔離電容Cg2的一端連接在一塊接收極板上，該第二隔離電容Cg2的另一端 串接所述第二變壓耦合器Tg2的一個(gè)繞組后連接在另一塊接收極板上，所述第二變壓耦合 器Tg2的另一繞組作為副邊信號(hào)收/發(fā)接口。
[0007] 本方案在保留現(xiàn)有ECPT系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在原副邊耦合極板上增加 一對(duì)通信電路來進(jìn)行信號(hào)傳輸，由于ECPT系統(tǒng)是通過電容耦合實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)?，而?高頻信號(hào)載波通過電容時(shí)的衰減會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)通過耦合電感的衰減，因此在ECPT系統(tǒng) 中實(shí)現(xiàn)能量信號(hào)并行傳輸，其效率明顯高于在IPT系統(tǒng)中進(jìn)行能量信號(hào)并行傳輸。同時(shí)，原 副邊的通信電路是直接連接在耦合極板上，并不用經(jīng)過調(diào)諧電感，通信電路中的隔離電容 可以設(shè)置為一個(gè)容值較小的電容，對(duì)于低頻能量波形而言它極大的增加了兩條信號(hào)支路的 阻抗，有效防止主電路中的能量在信號(hào)支路中分流，對(duì)于高頻信號(hào)而言，信號(hào)回路以外的支 路阻抗較大，使信號(hào)功率更多地保留在信號(hào)回路中，實(shí)現(xiàn)了能量通道與信號(hào)通道的通頻帶 分離，保證了能量信號(hào)并行傳輸。
[0008] 作為進(jìn)一步描述，所述電源電路為電流型電源電路，在原邊功率變換電路的輸出 端連接有兩組諧振網(wǎng)絡(luò)，其中一組諧振網(wǎng)絡(luò)是由電感Lp和電容Cp構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，另 一組是由補(bǔ)償電感Lsl，補(bǔ)償電感Ls2和能量耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，且兩組諧振網(wǎng)絡(luò) 的諧振頻率相同。
[0009] 結(jié)合上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)的參數(shù) 設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵在于：所述原邊通信電路和副邊通信電路中的隔離電容的容值、耦合變壓 器等效電感值以及所加載的信號(hào)載波與電能傳輸系統(tǒng)諧振頻率比按照以下約束條件進(jìn)行 參數(shù)設(shè)置，約束條件為：
[0011] 其中，Usl為輸入信號(hào)幅值，up為電能傳輸系統(tǒng)輸入電壓幅值，G_ss(Lg，Cg，人）為 原邊信號(hào)收/發(fā)接口到副邊信號(hào)收/發(fā)接口之間的增益函數(shù)，G__y(Lg，Cg，A)為能量輸 入端到原邊信號(hào)收/發(fā)接口之間的增益函數(shù)，Gs_ndalT(Lg，Cg，A)為能量輸入端到副邊信號(hào) 收/發(fā)接口之間的增益函數(shù)，GciutlO^Cg)為反向通信時(shí)能量輸入端到負(fù)載之間的增益函數(shù)， Gout2 (Lg，Cg)為正向通信時(shí)能量輸入端到負(fù)載之間的增益函數(shù)，ke表示拾取信號(hào)幅值與干擾 信號(hào)幅值的最小倍數(shù)關(guān)系；為原邊信號(hào)收/發(fā)接口到副邊信號(hào)收/發(fā)接口之間的最小 增益值；為能量輸入端到負(fù)載之間的最小增益值，A為信號(hào)載波與電能傳輸系統(tǒng)諧振 頻率比，為電能傳輸系統(tǒng)諧振角頻率，Lg=Lgl=Lg2表示原邊通信電路和副邊通信電路 中的耦合變壓器的自感值，Cg=Cgl=Cg2表示原邊通信電路和副邊通信電路中的隔離電容 的容值。
[0012] 基于上述約束條件對(duì)原副邊通信電路中的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可以有效保證信號(hào) 傳輸質(zhì)量，克服能量傳輸與信號(hào)傳輸之間的相互影響，主要理由在于：（1)信號(hào)波形的幅值 大于能量對(duì)信號(hào)支路的干擾電壓幅值的kj咅，從而確保可在能量波形中對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行識(shí) 別；（2)輸入信號(hào)到拾取信號(hào)的幅值增益需大于閾值.，從而確保ASK信號(hào)解調(diào)時(shí)0-1 信號(hào)的區(qū)分；（3)原邊并聯(lián)諧振電壓到負(fù)載電壓的增益大于閾值，從而克服信號(hào)支路 的增加對(duì)能量傳遞的影響；(4)需將信號(hào)工作頻率與支路諧振頻率點(diǎn)保持一致，從而降低 信號(hào)在回路中的衰減。只要通信電路增加的元件按照上述約束條件進(jìn)行設(shè)定，則可以滿足 能量和信號(hào)的并行傳輸。
[0013] 結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，可以設(shè)定拾取信號(hào)幅值與干擾信號(hào)幅值的最小倍數(shù)關(guān)系k =0. 3,原邊信號(hào)收/發(fā)接口到副邊信號(hào)收/發(fā)接口之間的最小增益值，能量輸 入端到負(fù)載之間的最小增益值G^f=0.95。
[0014] 本發(fā)明的顯著效果是：
[0015] 本發(fā)明提出的一種半雙工通信的能量信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該系 統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)能量無線傳遞的同時(shí)，能夠進(jìn)行原副邊半雙工通信，通過分析能量激勵(lì)在信號(hào)端 口的響應(yīng)特性以及信號(hào)支路對(duì)能量傳遞的影響，確定出了信號(hào)支路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，基于 該方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性更高。
【附圖說明】
[0016] 圖1是傳統(tǒng)ECPT系統(tǒng)的電路原理圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明的電路原理框圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明的電路原理圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明ECPT系統(tǒng)通信信道等效電路圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明ECPT系統(tǒng)能量通道等效電路圖；
[0021] 圖6是具體實(shí)施例中通信電路的參數(shù)選擇區(qū)域；
[0022] 圖7是具體實(shí)施例中信道增益與頻率的關(guān)系曲線；
[0023] 圖8是能量在原邊通信電路的干擾電壓與頻率的關(guān)系曲線；
[0024] 圖9是能量在副邊通信電路的干擾電壓與頻率的關(guān)系曲線；
[0025] 圖10是原邊并聯(lián)諧振電壓到負(fù)載電壓的增益與頻率關(guān)系圖；
[0026] 圖11是無通信功能的ECPT系統(tǒng)能量波形圖；
[0027] 圖12是無能量傳遞時(shí)信號(hào)傳遞波形圖；
[0028] 圖13是具有通信功能的ECPT系統(tǒng)能量波形圖；
[0029] 圖14是能量激勵(lì)下信號(hào)端口輸出響應(yīng)波形圖；
[0030] 圖15是ECPT系統(tǒng)能量信號(hào)并行傳輸波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032] 如圖1所示，一種常見的ECPT電路拓?fù)?，直流電源Ed。與直流電感Ld。串聯(lián)構(gòu)成等 效電流源，經(jīng)過逆變器行成交變電流注入諧振網(wǎng)絡(luò)。原邊極板高頻交變的電勢(shì)差在副邊極 板上激發(fā)電壓，于是將能量傳遞至副邊，經(jīng)過功率變換后為