本发明属于无线功率/信号复合传输技术领域，具体涉及一种采用e类放大器实现原副边通信的无线电能传输系统。
背景技术：
近年来，无线电能传输技术不断发展，到了今天已经有了很多成熟的技术，其可以弥补传统供电方式很多的不足。无线电能传输相对于传统的使用导线的电能传输，在某些方面有着压倒性的优势。例如在高压或者大功率情况下，物理上的接通或者切断电路会造成电火花，影响设备使用寿命甚至造成安全事故；在海底或者严禁火花的场所，采用线缆供电不但会对设备有着严苛的要求，而且在安全层面也是应该尽量避免的。无线电能传输技术已经引起了全世界研究人员的广泛关注，并且已经被应用于移动设备、电动汽车等诸多领域。
无线电能传输系统在给电池充电或存在多个接收端时，需要依据电池的充电状态和多个接收端的不同功率来对功率发射端进行调节，故无线能量传输系统需要一个自带的通信系统来进行相关控制。
虽然电力线通信技术被广泛应用于传统的有线电力供应系统，但当变压器结构出现在链路中时，就无法实现通信，故其不适合用于无线电能传输系统。而且常用的无线通信设备如wifi、蓝牙等也无法满足严格意义上的实时通信和全双工通信，故也不适合用于无线电能传输的通信系统，而且电力链路和数据链路相互作用，还会使得电力和数据传输的操作复杂化。用功率传输的耦合线圈则可以很好地解决以上问题，其不仅可以满足实时通信和全双工通信等要求，对电能传输的影响也相对较小。
公开号为cn106410978a的中国专利提出了一种无线电能传输系统中耦合线圈互感系数的在线测量方法，该测量系统通过在原、副边谐振回路耦合通讯模块，实现了共用无线电能传输系统耦合线圈的能量和信号复合传输，即无需引入额外通信信道或线圈，便实现了通信信号传输。
技术实现要素：
鉴于上述，本发明提供了一种采用e类放大器实现原副边通信的无线电能传输系统，能够实现无线能量传输系统中信号的发射，适用于无线功率/信号复合传输系统中的通信。
一种采用e类放大器实现原副边通信的无线电能传输系统，包括原边单元和副边单元，原边单元与副边单元通过功率线圈耦合实现电能与信号的无线传输；其中，所述原边单元包括原边功率电路和信号发射电路，所述副边单元包括副边功率电路和信号接收电路，信号发射电路与原边功率电路之间通过第一耦合电感实现信号传输，副边功率电路与信号接收电路之间通过第二耦合电感实现信号传输；所述信号发射电路采用e类放大器电路结构，用于将带有相位信息的驱动信号进行选频和功率放大后得到带有同样相位信息的正弦波信号，并通过第一耦合电感将该正弦波信号传输至原边功率电路，进而由原边功率电路通过功率线圈传输至副边功率电路，最后由副边功率电路通过第二耦合电感传输至信号接收电路进行解调；
所述信号发射电路包括直流电源、谐振电感l2、谐振电容c0、带有反向二极管d的开关管s、电容c1、电感l0以及电感l1；其中：谐振电感l2即为第一耦合电感的原边绕组，直流电源的正极与电感l0的一端相连，电感l0的另一端与开关管s的一端、电容c1的一端以及谐振电容c0的一端相连，谐振电容c0的另一端与电感l1的一端相连，电感l1的另一端与谐振电感l2的一端即第一耦合电感原边绕组的同名端相连，直流电源的负极与开关管s的另一端、电容c1的另一端以及谐振电感l2的另一端相连，开关管s的控制极接收外部控制芯片提供带有相位信息的驱动信号。
进一步地，所述控制芯片提供的驱动信号为方波信号，控制芯片采用psk(相移键控)或dpsk(差分相移键控)的调制方式将相位信息加载至该方波信号上。
进一步地，所述信号发射电路将驱动信号转换成正弦波信号并加载至第一耦合电感的原边绕组上，该正弦波信号的功率远大于驱动信号的功率。
进一步地，所述第一耦合电感的副边绕组将正弦波信号注入原边功率电路，即将高频的信号波形叠加到低频的功率波形上并通过功率线圈传输至副边功率电路。
进一步地，所述信号发射电路通过电容与电感的串联谐振以实现选频和信号功率放大。
基于上述技术方案，本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明基于e类放大器设计信号发射电路，其元器件数量少，结构简单。
(2)本发明可将信号波形加载到功率波形上，用一个功率线圈来传输，减小了系统的元件数目和系统的复杂度，并且还节约了成本。
(3)本发明不需要复杂的无线通信协议，降低了软件复杂度，且具有极高的实时性。
附图说明
图1为本发明无线电能传输系统的电路结构示意图。
图2(a)为带有相位信息的开关管驱动信号波形图。
图2(b)为不带有相位信息的开关管驱动信号波形图。
图3(a)为耦合电感绕组l2两端的电压波形图。
图3(b)为耦合电感绕组l2两端电压波形在相位跳变时的局部放大示意图。
图4(a)为耦合电感绕组lr2两端的电压波形图。
图4(b)为耦合电感绕组lr2两端电压波形在相位跳变时的局部放大示意图。
图5(a)为耦合电感绕组l3两端的电压波形图。
图5(b)为耦合电感绕组l3两端电压波形在相位跳变时的局部放大示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明采用e类放大器实现原副边通信的无线电能传输系统，包括原边单元和副边单元，原边单元与副边单元通过功率线圈耦合以实现电能的无线传输；其中，原边单元包括原边功率电路和信号发射电路，副边单元包括副边功率电路和信号接收电路，信号发射电路与原边功率电路之间通过第一耦合电感实现信号传输，副边功率电路与信号接收电路之间通过第二耦合电感实现信号传输；信号发射电路采用e类放大器电路结构，用于将带有相位信息的驱动信号进行选频和功率放大后得到带有同样相位信息的正弦波信号，并通过第一耦合电感将该正弦波信号传输至原边功率电路，进而由原边功率电路通过功率线圈传输至副边功率电路，最后由副边功率电路通过第二耦合电感传输至信号接收电路进行解调；
如图1所示，e类放大器电路中的谐振电感用第一耦合电感原边绕组l2代替，谐振电容为c0，e类放大器电路通过串联的谐振电感l2与谐振电容c0来产生正弦电流并以此发挥选频的作用，与直流电源vdc直接相连的电感l0充当电流源；由于谐振电路中存在寄生电阻，故产生的正弦电流会有直流偏置。
若开关s的驱动信号为占空比50％的方波信号，则流经c0和l2的电流则为与方波信号同频的正弦电流。当开关s导通时，正弦电流流经开关s，电容c1两端电压为0；开关s关断时，开关s中原有的正弦电流会转移至电容c1，并给电容c1充电，当c1中的正弦电流改变方向时电容c1放电，当放电至0时，开关s的寄生反向二极管d导通，正弦电流从电容c1转移至寄生反向二极管d直到开关s再次导通。
本发明中e类放大器电路中的开关器件的驱动信号为带有相位信息的方波型号。e类放大器将开关器件的信号进行选频和功率放大后加载在第一耦合电感原边绕组l2上，l1是为了使得开关s以软开关方式工作而加上的电感，用于调节阻抗。第一耦合电感的副边绕组lr2与e类放大器电路中谐振电感l2的耦合，并将高频的信号波形叠加到低频的功率波形上并通过功率线圈传输，最终通过第二耦合电感绕组l3和lr3接收信号。
在本实施方法中，开关s的驱动频率为2mhz，信号的调制方式为2psk，其波形如图2(a)所示，图2(a)中的波形携带数字信息“010”，图2(b)为不携带信息的2mhz驱动波形，用于与图2(a)进行比较。vdc＝20v，l0＝30μh，c0＝c1＝1nf，l1＝0.1μh，耦合电感原边绕组l2自感7.5μh，与其串联的寄生电阻为2ω，耦合电感副边绕组lr2自感7.5μh，与其串联的寄生电阻为2ω，原副边耦合系数0.9。l2两端的电压波形如图3(a)所示，其波形频率为2mhz且与驱动信号带有相同的数字信息“010”，而相位的切换也可以在图3(b)中看出，在相位切换时会造成信号幅值的衰减，但切换后幅值会逐渐恢复。
功率传输的工作频率为85khz，功率传输线圈的耦合系数为0.2，原副边自感均为100μh，串联的寄生电阻也均为2ω，电容c2＝c3＝35nf，lr3和l3的参数同lr2，耦合系数也为0.9。lr2两端电压波形如图4(a)所示，与图3(a)中的波形除幅值以外无区别，其相位跳变时的波形如图4(b)所示；l3两端的电压波形如图5(a)所示，与图3(a)中波形除幅值外也无区别，其相位跳变时的波形如图5(b)所示；图4(a)和图5(a)中的波形均携带与图2中相同的数字信息“010”，故信号可以成功从开关s的驱动传输到信号接收端，只是幅值有衰减。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。