一种无线电能与信号全双工同步传输系统和传输方法

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能与信号全双工同步传输系统和传输方法。


背景技术：

2.随着对无线电能传输技术研究的深入以及对系统传输品质要求的不断提高，在进行电能无线传输的同时，还需进行电能发送侧和电能接收侧之间的信号传输，来提升系统性能。
3.当前无线电能与信号同步传输系统主要分为两大类：分离通道式和共享通道式。分离通道式是指是指电能传输通道与数据传输通道在空间上相互分离，采用额外通信模块或额外通信线圈进行通信，该方法的缺点在于设备尺寸大，成本高，采用的额外通信线圈与主线圈之间干扰较大，电能传输会对数据传输造成较为严重的干扰，甚至导致数据信号无法解调。共享通道式是指利用一套耦合线圈同时进行电能和数据的传输，该传输方式按照数据调制原理的不同，又可分为能量调制式和高频载波调制式两种方法。
4.能量调制式是直接对能量载波进行调制，通过改变能量载波的幅值和频率等传输数据。直接对电能信号进行调制，数据传输速率低于系统工作频率，传输速率较低，并且对电能传输影响较大，不适合大功率场合。高频载波调制式是指将调制后高频载波加载到能量载波，两者共用同一耦合线圈同时传输，这种方法信号传输对电能传输几乎无影响，信号传输速率较快，实现简单，缺点是容易受到干扰。
5.对于很多实际应用中，信号的正向和反向传输都是必不可少的，这就需要信号的双向传输功能。甚至，在考虑到系统控制的及时性，需要进行全双工信号传输。而且，实际应用中会出现线圈偏移或传输距离改变等情况，导致耦合系数出现波动，对电能传输和信号传输产生较大影响。
6.现有的高频载波式无线电能与信号同步传输以信号单向传输为主，为了实现信号全双工传输，往往需要提出复杂的控制策略或复杂的拓扑结构来抑制同一侧信号载波的干扰。并且未考虑耦合系数波动时，信号传输和电能传输是否满足要求。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种无线电能与信号全双工同步传输系统和传输方法解决了现有全双工传输需要提出复杂的控制策略或复杂的拓扑结构来抑制同一侧信号载波的干扰，未考虑耦合系数波动时，信号传输和电能传输是否满足要求的问题。
8.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种无线电能与信号全双工同步传输系统，其包括电能传输电路和信号传输电路；电能传输电路包括全桥高频逆变电路、电能发送侧补偿电路、耦合线圈、电能接收
侧补偿电路和全桥整流滤波电路；全桥高频逆变电路的输出端通过电能发送侧补偿电路连接耦合线圈的原边；耦合线圈的副边通过电能接收侧补偿电路连接全桥整流滤波电路；信号传输电路包括第一信号调制器、第二信号调制器、第一信号解调器和第二信号解调器；第一信号调制器的输出端通过第一信号发送补偿模块与第一信号注入模块相连，第一信号注入模块与耦合线圈的原边串联，并位于电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号调制器的输出端通过第二信号发送补偿模块与第二信号注入模块相连，第二信号注入模块与耦合线圈的副边串联，并位于电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间；第一信号解调器的输入端通过第一信号接收补偿模块与第一信号提取模块相连，第一信号提取模块与耦合线圈的原边串联，并位于电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号解调器的输入端通过第二信号接收补偿模块与第二信号提取模块相连，第二信号提取模块与耦合线圈的副边串联，并位于电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间。
9.进一步地，电能发送侧补偿电路为lcc补偿电路，包括电感l1，电感l1的一端与全桥高频逆变电路的一个输出端相连；电感l1的另一端分别连接电容c1的一端和电容cp的一端；电容cp的另一端连接耦合线圈原边的一端；电容c1的另一端和耦合线圈原边的另一端均连接全桥高频逆变电路的另一个输出端；电能接收侧补偿电路为clc补偿电路，包括电容cs，电容cs的一端分别连接耦合线圈副边的一端、电感l2的一端和电容c2的一端；电感l2的另一端连接全桥整流滤波电路的一个输入端；电容c2的另一端和耦合线圈副边的另一端均连接全桥整流滤波电路的另一个输入端。
10.进一步地，第一信号注入模块包括紧耦合变压器mdt1；第一信号发送补偿模块包括电阻r3和电容cd3；电阻r3的一端和电容cd3的一端分别与第一信号调制器的输出端相连；电阻r3的另一端和电容cd3的另一端分别连接紧耦合变压器mdt1的两个原边端口；紧耦合变压器mdt1的副边串联在电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号注入模块包括紧耦合变压器mdt2；第二信号发送补偿模块包括电阻r4和电容cd4；电阻r4的一端和电容cd4的一端分别与第二信号调制器的输出端相连；电阻r3的另一端和电容cd3的另一端分别连接紧耦合变压器mdt2的两个原边端口；紧耦合变压器mdt2的副边串联在电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间。
11.进一步地，第一信号提取模块包括紧耦合变压器mdr1；第一信号接收补偿模块包括电感ld1、电容cd1和电容cd2；连接电感ld1的一端和电容cd1的一端共同连接信号接收电阻rd1的一端；信号接收电阻rd1的另一端分别连接电容cd2的一端和紧耦合变压器mdr1原边的一端；电感ld1的另一端、电容cd1的另一端和电容cd2的另一端共同连接紧耦合变压器mdr1原边的另一端；紧耦合变压器mdr1的副边串联在电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；其中电感ld1和电容cd1的谐振频率与第一信号调制器载波频率相同；第二信号提取模块包括紧耦合变压器mdr2；第二信号接收补偿模块包括电感ld2、电容cd5和电容cd6；电感ld2的一端和电容cd5的一端共同连接信号接收电阻rd2的一端；信号接收电阻rd2的另一端分别连接电容cd6的一端和紧耦合变压器mdr2原边的一端；电感ld2的另一端、电容cd5的另一端和电容cd6的另一端共同连接紧耦合变压器mdr2原边的另一端；紧耦合变压器mdr2的副边串联在电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间；其中电感ld2
和电容cd5的谐振频率与第二信号调制器载波频率相同。
12.进一步地，第一信号解调器和第二信号解调器的结构相同，均包括依次连接的带通滤波器、包络检波器、低通滤波器、放大器和滞回比较器。
13.提供一种无线电能与信号全双工同步传输方法，其包括以下步骤：s1、获取耦合线圈的耦合系数k变化范围[k
min
，k
max
]，并将变化范围的中心值作为最佳耦合系数k
set
；s2、获取维持系统输出功率不变情况下电能发送侧补偿电路参数与最佳耦合系数k
set
的关系；s3、基于系统的输入输出电压，建立最佳耦合系数、电能发送侧补偿电路参数与电压增益g
set
的关系；s4、设定在最佳耦合系数k
set
处的输入阻抗角；s5、根据输入阻抗角的要求，结合步骤s2的关系和步骤s3的关系，获取电能发送侧补偿电路元器件的参数值；s6、判断步骤s5的进行过程中系统输入阻抗在耦合线圈的耦合系数处于[k
min
，k
max
]之间时是否呈阻性或弱感性，若是则输出当前电能发送侧补偿电路元器件的参数值，进入步骤s7；否则增大输入阻抗角并返回步骤s5；s7、设定信号正向传输载波频率和反向传输载波频率，设定信号注入模块的参数，根据谐振条件和载波频率得到信号接收补偿模块的元器件参数；s8、测量耦合线圈的耦合系数在[k
min
，k
max
]之间时滞回比较器输入的电压幅值u
o1
，以最小的电压幅值大于1伏为条件，调整信号调制器电源和信号发送补偿模块的元器件参数；s9、设置放大器的放大倍数，使耦合线圈的耦合系数在k
set
时，滞回比较器输入的电压幅值为8v；s10、根据滞回比较器输入的电压幅值动态调节滞回比较器的参考电压阈值上限和阈值下限；s11、进行电能与信号全双工同步传输：通过全桥高频逆变电路将直流电转换成高频交流电，通过耦合线圈将高频交流电传输至全桥整流滤波电路，通过全桥整流滤波电路将高频交流电转换成直流电供负载使用；通过第一信号调制器生成包含待传输信号的高频载波，通过第二信号解调器解调第一信号调制器生成的包含待传输信号的高频载波；通过第二信号调制器生成包含待传输信号的高频载波，通过第一信号解调器解调第二信号调制器生成的包含待传输信号的高频载波。
[0014]
进一步地，步骤s2中的关系表达式为：其中，为电感l1的阻抗，为电容c1的阻抗；为常数，并满足，为电容cp的阻抗，为耦合线圈原边阻抗，为第一
信号注入模块的阻抗，为第一信号提取模块的阻抗；为能量载波角频率；为电能接收侧阻抗；为耦合线圈原边自感。
[0015]
进一步地，步骤s3中的关系表达式为：。
[0016]
进一步地，步骤s10中调节滞回比较器的参考电压阈值上限为(u
o1
/2 au
o1
0.02)v，阈值下限为(u
o1
/2-au
o1-0.02)v，其中。
[0017]
本发明的有益效果为：本发明实现了耦合系数较大范围波动时输出功率基本保持不变、输入阻抗呈现阻性或弱感性、信号传输基本不受影响，在电能正常传输的同时，实现了信号的全双工同步传输，并且具备系统控制策略简单、所加无源器件少、电路结构简化、信号传输增益大、信号传输速度快和电能传输与信号传输相互干扰小等优点。
附图说明
[0018]
图1为本无线电能与信号全双工同步传输系统的电路图；图2为电能传输通道的等效电路图；图3为信号正向传输通道的等效电路图；图4为信号解调器典型波形图；图5为实施例中信号解调器的电路图。
具体实施方式
[0019]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0020]
如图1所示，该无线电能与信号全双工同步传输系统包括电能传输电路和信号传输电路；电能传输电路包括全桥高频逆变电路、电能发送侧补偿电路、耦合线圈、电能接收侧补偿电路和全桥整流滤波电路；全桥高频逆变电路的输出端通过电能发送侧补偿电路连接耦合线圈的原边；耦合线圈的副边通过电能接收侧补偿电路连接全桥整流滤波电路；信号传输电路包括第一信号调制器、第二信号调制器、第一信号解调器和第二信号解调器；第一信号调制器的输出端通过第一信号发送补偿模块与第一信号注入模块相连，第一信号注入模块与耦合线圈的原边串联，并位于电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号调制器的输出端通过第二信号发送补偿模块与第二信号注入模块相连，第二信号注入模块与耦合线圈的副边串联，并位于电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间；
第一信号解调器的输入端通过第一信号接收补偿模块与第一信号提取模块相连，第一信号提取模块与耦合线圈的原边串联，并位于电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号解调器的输入端通过第二信号接收补偿模块与第二信号提取模块相连，第二信号提取模块与耦合线圈的副边串联，并位于电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间。
[0021]
电能发送侧补偿电路为lcc补偿电路，包括电感l1，电感l1的一端与全桥高频逆变电路的一个输出端相连；电感l1的另一端分别连接电容c1的一端和电容cp的一端；电容cp的另一端连接耦合线圈原边的一端；电容c1的另一端和耦合线圈原边的另一端均连接全桥高频逆变电路的另一个输出端；电能接收侧补偿电路为clc补偿电路，包括电容cs，电容cs的一端分别连接耦合线圈副边的一端、电感l2的一端和电容c2的一端；电感l2的另一端连接全桥整流滤波电路的一个输入端；电容c2的另一端和耦合线圈副边的另一端均连接全桥整流滤波电路的另一个输入端。
[0022]
第一信号注入模块包括紧耦合变压器mdt1；第一信号发送补偿模块包括电阻r3和电容cd3；电阻r3的一端和电容cd3的一端分别与第一信号调制器的输出端相连；电阻r3的另一端和电容cd3的另一端分别连接紧耦合变压器mdt1的两个原边端口；紧耦合变压器mdt1的副边串联在电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；第二信号注入模块包括紧耦合变压器mdt2；第二信号发送补偿模块包括电阻r4和电容cd4；电阻r4的一端和电容cd4的一端分别与第二信号调制器的输出端相连；电阻r4的另一端和电容cd4的另一端分别连接紧耦合变压器mdt2的两个原边端口；紧耦合变压器mdt2的副边串联在电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间。
[0023]
第一信号提取模块包括紧耦合变压器mdr1；第一信号接收补偿模块包括电感ld1、电容cd1和电容cd2；连接电感ld1的一端和电容cd1的一端共同连接信号接收电阻rd1的一端；信号接收电阻rd1的另一端分别连接电容cd2的一端和紧耦合变压器mdr1原边的一端；电感ld1的另一端、电容cd1的另一端和电容cd2的另一端共同连接紧耦合变压器mdr1原边的另一端；紧耦合变压器mdr1的副边串联在电能发送侧补偿电路与耦合线圈之间；其中电感ld1和电容cd1的谐振频率与第一信号调制器载波频率相同；第二信号提取模块包括紧耦合变压器mdr2；第二信号接收补偿模块包括电感ld2、电容cd5和电容cd6；电感ld2的一端和电容cd5的一端共同连接信号接收电阻rd2的一端；信号接收电阻rd2的另一端分别连接电容cd6的一端和紧耦合变压器mdr2原边的一端；电感ld2的另一端、电容cd5的另一端和电容cd6的另一端共同连接紧耦合变压器mdr2原边的另一端；紧耦合变压器mdr2的副边串联在电能接收侧补偿电路与耦合线圈之间；其中电感ld2和电容cd5的谐振频率与第二信号调制器载波频率相同。
[0024]
如图5所示，第一信号解调器和第二信号解调器的结构相同，均包括依次连接的带通滤波器、包络检波器、低通滤波器、放大器和滞回比较器。需要特别说明的是，图5仅仅是信号解调器中各器件的一种实现方式，其他结构的带通滤波器、包络检波器、低通滤波器、放大器和滞回比较器依然可以作为本发明中信号解调器的相关器件。以图5所示的带通滤波器来说，该带通滤波器最左侧的电阻的另一端和最下端的接地端分别与信号接收电阻的两端相连，即可获取信号接收电阻的电压信号。
[0025]
该无线电能与信号全双工同步传输方法包括以下步骤：
s1、获取耦合线圈的耦合系数k变化范围[k
min
，k
max
]，并将变化范围的中心值作为最佳耦合系数k
set
；s2、获取维持系统输出功率不变情况下电能发送侧补偿电路参数与最佳耦合系数k
set
的关系；s3、基于系统的输入输出电压，建立最佳耦合系数、电能发送侧补偿电路参数与电压增益g
set
的关系；s4、设定在最佳耦合系数k
set
处的输入阻抗角；s5、根据输入阻抗角的要求，结合步骤s2的关系和步骤s3的关系，获取电能发送侧补偿电路元器件的参数值；s6、判断步骤s5的进行过程中系统输入阻抗在耦合线圈的耦合系数处于[k
min
，k
max
]之间时是否呈阻性或弱感性，若是则输出当前电能发送侧补偿电路元器件的参数值，进入步骤s7；否则增大输入阻抗角并返回步骤s5；s7、设定信号正向传输载波频率和反向传输载波频率，设定信号注入模块的参数，根据谐振条件和载波频率得到信号接收补偿模块的元器件参数；s8、测量耦合线圈的耦合系数在[k
min
，k
max
]之间时滞回比较器输入的电压幅值u
o1
，以最小的电压幅值大于1伏为条件，调整信号调制器电源和信号发送补偿模块的元器件参数；s9、设置放大器的放大倍数，使耦合线圈的耦合系数在k
set
时，滞回比较器输入的电压幅值为8v；s10、根据滞回比较器输入的电压幅值动态调节滞回比较器的参考电压uref阈值上限和阈值下限；参考电压阈值上限为(u
o1
/2 au
o1
0.02)v，阈值下限为(u
o1
/2
‑ꢀ
au
o1-0.02)v，其中。
[0026]
s11、进行电能与信号全双工同步传输：通过全桥高频逆变电路将直流电转换成高频交流电，通过耦合线圈将高频交流电传输至全桥整流滤波电路，通过全桥整流滤波电路将高频交流电转换成直流电供负载使用；通过第一信号调制器生成包含待传输信号的高频载波，通过第二信号解调器解调第一信号调制器生成的包含待传输信号的高频载波；通过第二信号调制器生成包含待传输信号的高频载波，通过第一信号解调器解调第二信号调制器生成的包含待传输信号的高频载波。
[0027]
步骤s2中的关系表达式为：其中，为电感l1的阻抗，为电容c1的阻抗；为常数，并满足
，为电容cp的阻抗，为耦合线圈原边阻抗，为第一信号注入模块的阻抗，为第一信号提取模块的阻抗；为能量载波角频率；为电能接收侧阻抗；为耦合线圈原边自感。
[0028]
步骤s3中的关系表达式为：。
[0029]
在具体实施过程中，电感l2和电容c2在能量载波角频率ω
p
下并联谐振，可等效为开路，耦合线圈副边自感ls、紧耦合变压器mdt2的等效电感l
dt2
、紧耦合变压器mdr2的等效电感l
dr2
和电容cs在ω
p
下串联谐振，电能接收侧阻抗z2=re，re为整流电路与负载等效之后的负载。电能传输载波频率可以选取为85khz。
[0030]
信号调制器可以采用半桥逆变电路（或全桥逆变电路），进而可生成包含数字信息的高频载波。信号发送补偿模块可增大信号传输增益，信号的注入和提取采用串联于主电路的紧耦合变压器，目的在于减小对电能传输的干扰，信号解调电路恢复出待传信号。信号调制器输出的信号正向传输载波频率和反向传输载波频率，一般为电能载波频率十倍以上，在1mhz~2mhz即可。
[0031]
逆变电路能量载波高频成分流经支路电感l1和电容c1，相当于电容c1将变压器l
dr1
短路，信号接收电阻接收高频干扰几乎为零。整流电路能量载波高频成分流经支路电容c2和电容cs，相当于电容c2将变压器l
dr2
短路，信号接收电阻接收高频干扰几乎为零，采用此拓扑结构的同步传输系统，信号传输几乎不受到电能传输干扰。
[0032]
设置信号解调器中放大器放大倍数，使在k
set
时滞回比较器输入电压幅值为8v。信号传输时，根据检测到的u
o1
数值，信号解调器中动态调节滞回比较器参考电压使阈值上限为(u
o1
/2 0.15)v，阈值下限为(u
o1
/2-0.15)v。如此设置的目的是为了得到更好的传输效果，动态设置阈值可以满足抗偏移性能。
[0033]
在具体实施过程中，第一信号提取模块中电感ld1和电容cd1的谐振频率（lc谐振频率）与第一信号调制器载波频率相同，第二信号提取模块中电感ld2和电容cd5的谐振频率（lc谐振频率）与第二信号调制器载波频率相同，可消除同一侧信号发送载波的干扰，lc谐振频率设置在同一侧载波信号中心频率，正向信号传输时，反向信号传输接收电路相当于断路，反向信号传输时，正向信号传输接收电路相当于断路，即可实现两路信号载波之间无干扰，实现全双工信号传输。
[0034]
在具体实施过程中，虽然并未给出对应的附图，但是根据以上文字描述，除开图1-3所展示的位置关系外，紧耦合变压器mdt1和/或紧耦合变压器mdr1也可以位于电容cp与耦合线圈之间；紧耦合变压器mdt2和/或紧耦合变压器mdr2也可以位于电容c2与耦合线圈之间。
[0035]
本系统的电能传输通道的等效电路如图2所示，信号正向传输通道的等效 电路如图3所示(图3中z
dt1
表示信号正向传输时发送回路阻抗反射到能量通道 的阻抗，z
dt2
表示信号反向传输时发送回路阻抗反射到能量通道的阻抗，z
dr1
表 示信号反向传输时接收回路阻
抗反射到能量通道的阻抗，z
dr2
表示信号正向传输 时接收回路阻抗反射到能量通道的阻抗，该四个参数的值几乎为零，在实际计 算过程中不需要考虑)信号解调器典型波形图如图4所示，经信号解调器的带 通滤波器后基本消除电能载波和同一侧信号载波的干扰，测量此时电压幅值， 在耦合系数变化时，动态调节比较器阈值依旧可以正确恢复出所传信号。