用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统及控制方法

1.本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统及控制方法。


背景技术：

2.随着电动汽车技术的发展，无线功率传输技术越来越受到人们的重视。在许多情况下，电动汽车系统在电能传输的基础上，仍需要同时提供额外的无线通信能力。应用于电动汽车环境下的无线电能信号同步并行传输日渐成为适应未来发展需求的重要课题。
3.纵观现有电动汽车技术，基本没有采用电能与信号同步传输技术进行充电侧与负载侧的通信，通常采用双线圈模式或添加射频模块以完成双边通信。然而双线圈双通道传输技术存在信号与电能传输线圈交叉耦合的问题；射频技术虽然有很好的传输效果，但因其体积过大，降低了系统的灵活性。现有的电动汽车环境下电能与信号传输普遍存在传输速率较慢的问题。寻找一种高效，灵活，的方法已然成为当前研究的热点问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的首要目的在于提供一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统，用于实现电动汽车应用场景下电能与信号从原边到副边的传输任务，实现了电能与信号的高质量以及稳定的并行同步传输。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统，在能量发射端设置有工频交流电路、原边整流滤波电路、高频逆变电路、原边补偿电路和发射线圈，在能量接收端设置有接收线圈，其关键在于：在所述能量发射端还设置有复合高频载波模块、电能载波模块和比较电路，所述复合高频载波模块用于根据原边需要发射的信号生成复合高频载波信号，所述电能载波模块用于根据原边需要发射的能量生成电能载波信号，所述复合高频载波信号和所述电能载波信号通过所述比较电路比较后生成pwm信号来驱动所述高频逆变电路中的开关管工作，在所述能量接收端还设置有副边分离网络、副边整流滤波电路和信号解调电路，所述副边分离网络用于将所述接收线圈拾取的信号进行分离，并通过所述信号解调电路实现信号解调；所述副边分离网络还用于将所述接收线圈拾取的能量进行分离，并通过所述副边整流滤波电路处理后为车载电池供电。
7.可选地，所述复合高频载波模块按照以下方式对原边需要发射的信号进行调制：
8.uc(t)＝au1(t) bu2(t)
[0009][0010]
其中，uc(t)为所述复合高频载波模块生成的复合高频载波信号；
[0011]
u1(t)＝a1sin(2πf1t)为当待传输的信号码元为1时复合高频载波信号中所含有的高频载波；
[0012]
u2(t)＝a2sin(2πf2t)为当待传输的信号码元为0时复合高频载波信号所含有的高频载波；
[0013]
a1和a2分别为高频载波的信号幅度，f1和f2分别为高频载波的信号频率。
[0014]
可选地，所述电能载波模块生成的电能载波信号为u0(t)＝a0sin(2πf0t)，其中，a0为能量载波的信号幅度，f0为能量载波的信号频率。
[0015]
可选地，所述原边补偿电路采用串联谐振补偿结构。
[0016]
可选地，所述副边分离网络中包括副边电能补偿电容cs、电阻r1、电感l1和电容c1，其中副边电能补偿电容cs与接收线圈串联并形成能量传输通道，电阻r1、电感l1和电容c1串联形成信号分离通道，能量传输通道将接收的能量输入副边整流滤波电路后为车载电池供电，信号分离通道将分离的信号传输至所述信号解调电路，解调出的信号再传送至车载通讯模块。
[0017]
可选地，能量传输通道中的元件参数满足(2πf0)2l
scs
＝1，所述信号分离通道中的元件参数满足(2πf1)2l1c1＝1，其中ls为接收线圈的自感，cs为副边电能补偿电容cs的容值，l1为电感l1的自感，c1为电容c1的容值。
[0018]
可选地，所述信号解调电路采用非相干解调，包括包络检波器，低通滤波器和判决器。其中包络检波器由二极管与阻容元件组成，用以检测波形的包络线。低通滤波器为rc低通滤波器，用以滤除包络线上的高频毛刺，输出结果在判决器内与固定阈值比较，完成信号的解调。
[0019]
基于上述系统，本发明的另一目的还在于提出一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统的控制方法，主要针对现有电动汽车无线充电计费管理过程中往往需要驾驶员下车缴费或扫码支付所造成的操作不便的问题。在采用前文所述的用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统的基础上，其控制方法包括以下步骤：
[0020]
s1：能量发射端将运营商信息和无线充电计费标准信息编码成预设长度的二进制字符串作为预发送信号；
[0021]
s2：复合高频载波模块将步骤s1所得的二级制字符串周期性调制成复合高频载波信号，并通过与电能载波信号比较后生成pwm控制信号；
[0022]
s3：高频逆变电路在步骤s2所得pwm控制信号驱动下生成原边高频交流信号，并通过发射线圈产生交变磁场；
[0023]
s4：接收线圈通过磁耦合感应发射线圈的交变磁场，一方面通过副边分离网络提取信号，并由信号解调电路解调得到能量发射端将运营商信息和无线充电计费标准信息；另一方面通过副边整流滤波电路对拾取的能量进行处理为车载电池供电；
[0024]
s5：能量接收端根据能量发射端的运营商信息和无线充电计费标准信息生成无线充电计费订单，实现无线充电计费管理。
[0025]
可选地，能量发射端的预发送信号中还包括输出功率信息。
[0026]
可选地，能量发射端的预发送信号中还包括启停时间信息。
[0027]
本发明的显著效果是：
[0028]
针对电动汽车无线充电应用场景实现了电能与信号的同步传输的基本任务，大大提高了系统单位时间内传输的数据量，避免了信号与电能回路间的交叉耦合，简化了系统的结构，提升了系统的效率与应用的灵活性，同时有效提升无线充电计费管理的便捷性。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明具体实施例中系统的电路原理框图；
[0031]
图2为本发明具体实施例中系统电路原理图；
[0032]
图3为本发明具体实施例中复合载波仿真图；
[0033]
图4为本发明具体实施例中四路开关管驱动脉冲仿真图；
[0034]
图5为本发明具体实施例中信号解调电路结构图；
[0035]
图6为本发明具体实施例中信号解调过程仿真图；
[0036]
图7为本发明具体实施例中系统参数设计时的功率曲线图；
具体实施方式
[0037]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038]
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0039]
如图1、图2所示，本实施例提供了一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统，在能量发射端设置有工频交流电路、原边整流滤波电路、高频逆变电路、原边补偿电路和发射线圈，在能量接收端设置有接收线圈，在所述能量发射端还设置有复合高频载波模块、电能载波模块和比较电路，所述复合高频载波模块用于根据原边需要发射的信号生成复合高频载波信号，所述电能载波模块用于根据原边需要发射的能量生成电能载波信号，所述复合高频载波信号和所述电能载波信号通过所述比较电路比较后生成pwm信号来驱动所述高频逆变电路中的开关管工作，在所述能量接收端还设置有副边分离网络、副边整流滤波电路和信号解调电路，所述副边分离网络用于将所述接收线圈拾取的信号进行分离，并通过所述信号解调电路实现信号解调；所述副边分离网络还用于将所述接收线圈拾取的能量进行分离，并通过所述副边整流滤波电路处理后为车载电池供电。
[0040]
下面以传输电能与速率为3kbit/s的串行二进制比特作为实例分析，具体实施时，所述复合高频载波模块按照以下方式对原边需要发射的信号进行调制：
[0041]
uc(t)＝au1(t) bu2(t)
[0042][0043]
其中，uc(t)为所述复合高频载波模块生成的复合高频载波信号；
[0044]
u1(t)＝a1sin(2πf1t)为当待传输的信号码元为1时复合高频载波信号中所含有的高频载波；
[0045]
u2(t)＝a2sin(2πf2t)为当待传输的信号码元为0时复合高频载波信号所含有的高频载波；
[0046]
a1和a2分别为高频载波的信号幅度，f1和f2分别为高频载波的信号频率。复合高频载波仿真图如图3所示。
[0047]
所述电能载波模块生成的电能载波信号为u0(t)＝a0sin(2πf0t)，其中，a0为能量载波的信号幅度，f0为能量载波的信号频率。在本实施例中设置f0＝20khz，f1＝200khz，f2＝400khz，电能载波信号与复合高频载波比较生成四路开关管驱动脉冲，如图4所示。
[0048]
结合图2可以看出，原边补偿电路采用串联谐振补偿结构，副边分离网络中包括副边电能补偿电容cs、电阻r1、电感l1和电容c1，其中副边电能补偿电容cs与接收线圈串联并形成能量传输通道，电阻r1、电感l1和电容c1串联形成信号分离通道，能量传输通道将接收的能量输入副边整流滤波电路后为车载电池供电，信号分离通道将分离的信号传输至所述信号解调电路，解调出的信号再传送至车载通讯模块。原边整流滤波电路和副边整流滤波电路分别包括四个二极管及一个电容，高频逆变电路包括四只全控型器件mosfet。
[0049]
具体实施时，能量传输通道中的元件参数满足(2πf0)2l
scs
＝1，所述信号分离通道中的元件参数满足(2πf1)2l1c1＝1，其中ls为接收线圈的自感，cs为副边电能补偿电容cs的容值，l1为电感l1的自感，c1为电容c1的容值。
[0050]
结合图5可以看出，所述信号解调电路采用非相干解调，包括包络检波器，低通滤波器和判决器，将检测电感l1上的采集电压通过带通滤波器，将采集电压中的非特征频率信号滤除，再通过乘法器将采集电压中负轴数值取正，突出数字“0”，“1”的码元特征，而后利用低通滤波器取波形的包络线，最终进行判决器，完成“0”，“1”码元的解耦还原。非相干解调过程如图6所示。
[0051]
上述系统在设计过程中，可以按照以下方式求解系统电能输出功率表达式p
out
，并确定磁耦合线圈最佳互感值m；
[0052]
(1)电能调制波作用下，根据附图1，有:
[0053][0054]
其中，ω0定义为电能调制波特征角频率，为电能调制波频率作用下系统原边输入等效阻抗，为电能调制波作用下副边等效阻抗，为电能调制波频率作用下系统原边输入等效导纳。r
p
,l
p
为发射线圈的内阻与电感值，rs,ls为接收线圈的内阻与电感值，r
l
为负载电阻，cs为副边电能补偿电容。
[0055]
(2)电能调制波频率作用下原边线圈电流与电能调制波频率作用下副边线圈电流可表示为：
[0056][0057]
其中，为电能调制波频率作用下逆变器输出方波电压。
[0058]
(3)基于间的关系，得出电能调制波频率作用下副边电压与负载输出功率p
out
为:
[0059][0060][0061]
(4)系统效率η可表示为:
[0062][0063]
当系统满足条件:
[0064][0065]
效率η可简化表示为:
[0066][0067]
依据电能调制波频率作用下负载输出功率与效率表达式选取最佳互感值m。参数设计功率效率曲线如图7所示，磁耦合线圈最佳互感值m为47uh。
[0068]
针对能量与信号串扰问题的分析，本发明提出的用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统，由于电能与多路信号是通过同一磁路机构从原边传输到副边，电能对信号，信号对电能将会产生串扰。
[0069]
由前述分析，可得信号调制波特征角频率w1作用下本系统负载电阻r
l
两端电压与信号调制波通道上检测电感上两端电压为：
[0070][0071]
其中为信号调制波特征角频率w1作用下原边线圈电流；为信号调制波特征角频率w1作用下副边等效阻抗；
[0072]
γ
s1
定义为:
[0073][0074]
其中：
[0075][0076]
(1)信号传输对电能传输的串扰分析:
[0077]
可以得出电能调制波角频率w0作用下，负载电阻r
l
两端所得到的电压与信号调制波角频率w1作用下负载电阻r
l
两端所得到的电压为：
[0078][0079]
为避免信号对电能的串扰，应满足：
[0080][0081]
(2)电能对信号传输的串扰分析：
[0082]
可以得出的信号分离通道在电能调制波角频率w0作用下其检测电感上的电压与信号分离传输通道在对应信号调制波频率w1下其检测电感上的电压表达式为：
[0083][0084]
为避免电能对信号的串扰，应满足：
[0085][0086]
满足这一条件则可以说明系统设计避免了电能对信号传输的串扰。经过推导发现其干扰主要与信号分离通道品质因数q有关，当每一通道品质因数q》300时可消除串扰。
[0087]
结合串扰与暂态过程持续时间问题，所对应的系统参数设计流程应为：
[0088]
(1)根据串行比特的发射频率选取电能调制波，信号调制波的频率值；
[0089]
(2)根据负载功率效率曲线确定磁耦合传输线圈互感值m；
[0090]
(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(1)中重新设计；
[0091]
(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(1)中重新设计；
[0092]
(5)返回(1)中校验互感值m是否能获得最佳的功率效率，若不能则返回(1)中重新设计。
[0093]
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，传输速率可达3kbit/s。
[0094]
基于上述系统架构及参数设计方法完成系统设计后，具体实施时还可以按以下方法对系统进行控制。
[0095]
具体而言，本实施例公开一种用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统的控制方法，采用前文所述的用于电动汽车的能量与信号并行无线传输系统，包括以下步骤：
[0096]
s1：能量发射端将运营商信息和无线充电计费标准信息编码成预设长度的二进制字符串作为预发送信号；
[0097]
s2：复合高频载波模块将步骤s1所得的二级制字符串周期性调制成复合高频载波信号，并通过与电能载波信号比较后生成pwm控制信号；
[0098]
s3：高频逆变电路在步骤s2所得pwm控制信号驱动下生成原边高频交流信号，并通过发射线圈产生交变磁场；
[0099]
s4：接收线圈通过磁耦合感应发射线圈的交变磁场，一方面通过副边分离网络提取信号，并由信号解调电路解调得到能量发射端将运营商信息和无线充电计费标准信息；另一方面通过副边整流滤波电路对拾取的能量进行处理为车载电池供电；
[0100]
s5：能量接收端根据能量发射端的运营商信息和无线充电计费标准信息生成无线充电计费订单，实现无线充电计费管理。
[0101]
具体实施时，能量发射端的预发送信号中还可以包括输出功率信息和启停时间信
息。
[0102]
基于上述方法设计，可以在电动汽车无线充电过程中很好的实现原边信息向副边的快速发送，用户可以在能量发射端不额外增加无线通信模块的情况下，通过车载通讯模块直接获取能量发射端的相关信息，便于及时了解充电状态和充电效率，便于及时完成计费结算。
[0103]
最后需要说明的是，以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。