一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法与流程

本发明涉及负载识别和无线电能信号同步传输领域，尤其是一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法。

背景技术：

利用空间中的介质实现能量以非接触的方式从电源端传输到负载端的技术称为无线电能传输(wirelesspowertransfer，wpt)技术。相比于传统的有线供电方式，无线电能传输技术能够有效避免因为插头的多次插拔带来的磨损以及插拔过程中电火花带来的危险，在煤矿、水下等特种场合，无线电能传输技术的优点更为明显。

随着wpt技术应用领域的不断扩展，能对负载有普遍适应性的wpt系统受到学者们的广泛关注。负载大小和性质的不同使得系统补偿网络有各种各样的形式，从而对不同拓扑的功率控制策略也具有多样性。在很多情况下，系统负载的电气参数或运行状态发生微小的改变，都会导致系统的性能降低，严重时甚至会使系统崩溃，因此需要对负载进行在线识别，并且能够将负载信息实时提供给系统原边，再根据负载变化情况提供合理的控制策略来抑制负载变化对系统造成的不良影响。因此要实现上述功能，负载识别技术和无线电能信号同步传输(wirelesspowerandsignaltransmission，wpst)技术二者要兼而有之。

目前负载识别技术主要有：

1、基于能量注入式和能量自由震荡方式计算反射阻抗。这种方法是通过控制逆变器开关管的工作状态，在能量注入一定开关周期后改变开关状态，使得能量发射线圈和补偿电容组成一个回路，电路以自由震荡的方式工作，能量呈现规律性衰减；检测能量衰减时发射回路电流峰值及衰减周期，结合lc回路自由振荡过程，能够计算出能量发射端等效反射阻抗的实部，再通过反射阻抗模型可以计算出负载大小；

2、基于反射阻抗的负载识别技术。通过检测原边谐振网络输入电压、回路电压以及阻抗角，建立电路原理方程，求得反射阻抗。对wpt系统而言，在设计和计算系统参数时，由于系统的负载端是一个整体的谐振补偿网络，从系统原边能量发射端可以得到系统总阻抗，这个阻抗称为拾取端到发射端的反射阻抗。反射阻抗的大小和性质会随着拾取端负载的变化而变化，并导致原边电流、电压等参数发生变化，通过对各部分电气参数的检测和计算，得到当前负载的大小和性质，同时采用相应的控制手段对系统的能量输出状态进行控制和调整，以满足负载的需求，使系统处于良好的工作状态。

而目前无线电能信号同步传输技术主要有：

1、双通道式电能与信号同步传输技术。即电能与信号分别在不同的通道中传输，在系统原副边设置两组线圈，分别传输能量和信号，这种结构会使得能量线圈和信号线圈间存在电磁干扰；

2、单通道式电能与信号同步传输技术。该技术又可以分为时分复用和频分复用两种方法，时分复用技术是通过对系统原边对能量载波进行数字调制，从而将数字信号加载到系统中，其中数字调制方法有二进制移幅键控(2ask)、二进制移频键控(2fsk)和二进制移相键控(2psk)；频分复用是指由于能量作为信号的载波，因此在进行数字调制时会对能量有较大的影响。

随着对无线电能传输技术研究的不断深入，负载识别技术无疑成为研究学者们的重点关注对象。现有的负载识别技术或是离线识别方式，或是识别完成后利用射频装置将负载信息传递给原边，而前者不能实时监控负载信息做出合理的调整，后者因为射频通信存在较高的时间延迟，不利于系统的控制，因此将无线能量信号同步传输技术和负载识别技术结合起来会成为负载在线识别的一种有效手段。

技术实现要素：

发明目的：为了能够将负载识别技术和能量信号同步传输技术结合以实现负载在线实时识别，本发明提出一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法，能够在线实现负载识别且在识别完成后将负载信息发送给系统原边。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统，包括：高频逆变电路1、原边电能发射电路2、原边信号传输电路3、副边电能接收电路4和副边信号传输电路5；高频逆变电路1将直流电源电压转换成高频交流方波；原边电能发射电路2和原边信号传输电路3并联在高频逆变电路1的输出端，原边电能发射电路2从高频交流方波中提取出用于传输电能的基波分量，并通过电磁耦合将基波分量传输给副边电能接收电路4，副边电能接收电路4的输出端连接负载；原边信号传输电路3从高频交流方波中提取出用于传输信号的n次谐波分量，并通过电磁耦合将n次谐波分量传输给副边信号传输电路5；副边电能接收电路4和副边信号传输电路5经复用开关s3连接在一起，当复用开关s3闭合时，副边电能接收电路4和副边信号传输电路5并联，此时实现电能信号同步传输功能；s3打开时，电能接收电路4和副边信号传输电路5串联，此时实现负载识别功能；

所述实现电能信号同步传输包括从原边到副边的正向传输和从副边到原边的反向传输；当进行电能信号正向传输时，原边信号传输电路3接收原边数字信号，并将原边数字信号调制到n次谐波分量上传输给副边信号传输电路5；当进行电能信号反向传输时，副边信号传输电路5接收副边数字信号，并将副边数字信号调制到n次谐波分量上传输给原边信号传输电路3。

进一步的，所述能量发射电路2包括谐振电感la1、谐振电容cp11和cp12以及能量发射线圈lp1，la1、cp11、cp12、lp1组成lccl基波选频电路；所述原边信号传输电路3包括谐振电感la3、谐振电容cp31、cp32、发射线圈lp3、双向开关管sp1、调制电阻rm11、缓冲电阻rm12、信号反向解调电路；控制信号开关管sp1与调制电阻rm11串联后再与rm12并联，形成信号正向调制电路；la3、lp3、cp31、cp32组成n次谐波选频电路，其中，la3、lp3、cp32串联，cp31一端连接la3和lp3的连接点，另一端与cp32的自由端相连；n次谐波选频电路串联信号正向调制电路后再并联到高频逆变电路1的输出端；信号反向解调电路并联在cp32的两端，通过检测cp32两端的电压将副边传递向原边的信号解调出来；副边电能接收电路4包括：能量接收线圈ls1、谐振电容cs1、负载电阻rl和复用开关s3ls1一端通过cs1与rl连接，另一端通过s3与rl连接；副边信号传输电路5包括：接收线圈ls3、串联谐振电容cs3、调制电阻rm21、缓冲电阻rm22、控制信号开关管ss1、信号正向解调电路；ss1与rm21串联后再与rm22并联，形成信号反向调制电路；信号反向调制电路一端连接s3与rl的连接点，另一端依次通过cs3、ls3与ls1连接；信号正向解调电路并联在cs3的两端，通过检测cs3两端的电压将原边传递向副边的信号解调出来。

进一步的，所述控制信号开关管sp1和ss1结构相同，均是由一个mos管及其寄生体二极管构成的交流通路。

进一步的，所述高频逆变电路1为四个金属-氧化物半导体场效应晶体管构成的全桥式逆变电路。

本发明还提出一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统的控制方法，包括步骤：

a.正常工作时，复用开关s3闭合，此时副边电能接收电路4和副边信号传输电路5并联，原边信号传输电路3均不会影响电能正常传输；

b.当系统需要进行负载识别时，首先控制原边信号传输电路3中的信号正向调制电路发送一特定启动信号，在副边信号传输电路5中解调出启动信号后，开始进行负载识别；

c.负载识别阶段一：首先检测副边电路负载端电压及电流大小及相位关系，利用数字信号处理器判断负载性质：若相位差为零，则为阻性负载；若相位差大于零，则为感性负载；若相位差小于零，则为容性负载；基于副边电能接收电路4的固有谐振频率为基波频率，搭建基波负载方程：

式中ip1on表示复用开关s3闭合时原边电能发射电路2的电能发射线圈电流，is1on表示复用开关s3闭合时的负载电流，m1表示原边电能发射电路2的电能发射线圈和副边电能接收电路4中的电能接受线圈间的互感，r、l分别是待求负载的电阻值和电感值；

d.负载识别阶段二：断开复用开关s3，副边电能接收电路4和副边信号传输电路(5)形成串联结构，此时负载上的电流是原边电能发射电路2和原边信号传输电路3共同作用而产生；再次搭建基波负载方程：

式中，ip1off表示复用开关s3断开时的原边电能发射电路2的电能发射线圈电流，re是信号调制电阻的并联阻值，re＝rm21||rm22，x表示原边电能发射电路2单独作用时副边信号传输电路5的基波等效阻抗，

e.联立方程(1)和(2)，即可计算出负载的电阻值及电抗值；

f.负载识别完成后闭合复用开关s3，控制副边信号传输电路5中的信号反向调制电路发送信号经负载信息传递到系统原边，此时副边信号传输电路5用来发送信号，原边信号传输电路3用来接收信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明信号传输和能量传输是解耦控制，信号传输不会造成能量的波动，能量的传输也不会对信号传输有干扰；

2)本发明能够实现信号半双工模式的传输，即信号既能从原边向副边传输，也能够从副边向原边传输；

3)本发明可以根据需要复用实现能量信号同步传输和负载识别两种功能；

4)本发明可以实现负载的在线识别以及识别信息的实时传递。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明正常工作时的逆变输出电压、基波发射电流及负载电压波形图；

图3是本发明中信号正向传输时的主要波形，其中图3(a)是逆变输出电压、基波发射电流和负载电压波形图，图3(b)是原边发送信号、副边解调信号波形图；

图4是本发明中进行负载识别时的主要波形，其中图4(a)是逆变输出电压、基波发射电流波形图，图4(b)是副边电流波形图；

图5是本发明中信号反向传输是的主要波形，其中图5(a)是逆变输出电压、基波发射电流和负载电压波形，图5(b)是副边发送信号和原边解调信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的能量信号同步传输与负载识别时分复用系统，包括高频逆变电路1、原边电能发射电路2、原边信号传输电路3、副边电能接收电路4和副边信号传输电路5。

高频逆变电路1输出端分别与原边电能发射电路2、原边信号传输电路3相连接，原边能量发射电路2和原边信号传输电路3的输入端相连，二者组成并联网络；原边能量发射电路2从高频逆变电路1输出的方波电压中选择出基波来传输能量；原边信号传输电路3包括n次谐波选频电路和信号调制解调电路，从输出方波中选择出n次谐波来传输信号；副边电能接收电路4包括基波谐振电路和复用开关，根据系统的需求控制复用开关的开通和关断来决定进行负载识别或是信号传输；所述副边信号传输电路5并联在复用开关两端，由n次谐波选频电路和调制解调电路组成。

具体的：

高频逆变电路1为四个金属-氧化物半导体场效应晶体管

(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)构成的全桥式逆变电路，能够得到更高的功率输出。

原边电能发射电路2为谐振电感la1、并联谐振电容cp11、串联谐振电容cp12和能量发射线圈lp1构成的lccl型谐振电路组成，其固有谐振频率为高频逆变器工作频率(即基波频率)。相比于串联型、并联型等其他补偿电路，lccl型谐振电路具有更好的选频特性，能够更好地从逆变输出电压中提取基波和n次谐波。

原边信号传输电路3由谐振电感la3、谐振电容cp31、谐振电容cp32及信号发射线圈lp3和调制解调电路构成。谐振电路同样为lccl型复合谐振电路，固有谐振频率为n次谐波频率。信号调制电路由调制电阻rm11、缓冲电阻rm12和双向开关组成，调制电阻阻值较小，用来改变电流幅值，缓冲电阻阻值较大，用来吸收开关时的冲击电流，mosfet及其寄生体二极管构成交流通路，当从原边向副边传输信号时，通过控制mosfet的开通和关断来模拟数字信号“0”和“1”。信号解调电路则主要由二极管检波电路和比较电路组成，检测电容cp32两端的电压实现对副边发送信号的解调。

副边电能接收电路4为能量接收线圈ls1、谐振电容cs1、负载电阻rl和复用开关s3组成。其固有谐振频率为系统基波频率，复用开关s3的作用是控制系统工作状态，通过控制s3的开通和闭合在不同阶段实现能量信号同步传输和负载识别功能。

副边信号传输电路5由信号接收线圈ls3、串联谐振电容cs3、信号调制解调电路构成。电路固有谐振频率等于n次谐波频率，构成n次谐波通道；信号调制电路和原边信号调制电路结构相同，均由调制电阻rm21、缓冲电阻rm22和双向开关组成实现数字信号的调制；信号解调电路同样为二极管检波电路和比较电路。

本发明还提出一种无线电能信号同步传输和负载识别时分复用系统的控制方法，该方法具体包括四个阶段：

负载识别启动阶段。当要进行负载识别时，首先设定当副边接收到某一数据串如“10110”时，认为原边想要进行负载识别，通过数字信号控制器(digitalsignalcontroller，dsc)产生双向开关的驱动信号，双向开关的开通和关断用来表示数字信号”1”和“0”。

启动信号发送阶段。此阶段中原边信号传输电路工作在信号发送状态，副边信号传输电路工作在信号接收状态；通过dsc来控制原边双向开关的开通和关断，使得信号原边电流出现规律性的断续模式，因此副边信号线圈就能够拾取到高低电平不同的电压，信号谐振电容电压就存在含有信号特征的电压包络，利用检波电路就可以提取出原边发送的启动信号。

负载识别阶段。在信号副边接收到设定好的数据串后，副边复用开关s3会先闭合再断开，此时根据负载电压即电流的相位差判断负载性质，再根据复用开关不同状态时的负载电流大小列写负载阻抗方程组，通过计算就能够判断出负载数值。

识别信息发送阶段。此阶段中原边信号传输电路工作在信号接收状态，副边信号传输电路工作在信号发送阶段，复用开关s3闭合；信号传输的原理和启动信号发送阶段一致，都是利用dsc控制调制电路中双向开关的通断，识别到负载的性质后按照一定的编码形式，将负载以数据串的形式传输到系统原边，在系统原边的信号解调电路中就能够还原出这个信号，再经过解码后就能够知道负载的性质。

下面结合具体电路拓扑进一步阐述上述控制方法，具体包括步骤：

a.正常工作时，复用开关s3闭合，此时副边电能接收电路4和副边信号传输电路5并联，原副边信号传输电路均不会影响电能正常传输。

b.当系统需要进行负载识别时，首先控制原边信号传输电路3中的信号调制电路发送一特定启动信号(如“11010”)，在副边信号传输电路5中解调出启动信号后，开始进行负载识别。

c.负载识别阶段1：首先检测负载端电压及电流，并送入dsc中，通过比较电压电流间的相位差可以判断出负载的性质，若相位差为零，则为阻性负载；若相位差大于零，则为感性负载；若相位差小于零，则为容性负载。由于副边电能接收电路4的固有谐振频率为基波频率，所以可以列写出基波负载方程：

式中ip1on表示复用开关闭合时的电能发射线圈电流，is1on表示复用开关闭合时的负载电流，m1表示电能发射线圈和副边接受线圈间的互感，r，l分别是待求负载的电阻值和电感值。

d.负载识别阶段2：断开复用开关s3，副边电能接收电路4和副边信号传输电路5形成串联结构，此时负载上的电流是原边电能发射电路2和原边信号传输电路3共同作用而产生。根据叠加定理可知，负载电流is1off可视为原边电能发射电路2及原边信号传输电路3单独作用产生的电流之和，对负载电流进行傅里叶级数分解，得到其基波分量is1off1，就可以仿照步骤c中列写基波负载方程：

式中ip1off表示复用开关断开时的电能发射线圈电流，re是信号调制电阻的并联阻值，re＝rm21||rm22，x表示原边电能发射电路2单独作用时副边信号传输电路5的基波等效阻抗，

e.联立方程(1)和(2)就能够计算出负载的电阻值及电抗值。

f.负载识别完成后闭合复用开关s3，再经过一定的编码形式经负载信息传递到系统原边，此时副边信号传输电路5用来发送信号，原边信号传输电路3用来接收信号。

以下为本发明的一个具体实施例：

如图1所示，高频逆变电路1工作频率为20khz，直流电源e＝24v；原边电能发射电路2固有谐振频率等于工作频率，其参数设置为la1＝40.33μh，cp11＝1.57μf，cp12＝0.47μf，lp1＝175μh；副边电能接收电路4的参数设置为ls1＝124.74μh，cs1＝507nf；原边信号传输电路3的谐振频率为三次谐波频率，60khz，其参数设置为la3＝4μh，cp31＝1.759μf，cp32＝0.1μf，lp3＝74μh，rm12＝1ω，rm12＝1000ω；副边信号传输电路5的参数设置为ls3＝10μh，cs3＝703.6nf，rm21＝1ω，rm22＝1000ω。

在系统正常工作时，其逆变器输出电压ui、电能发射线圈电流ip及负载电压uo的波形如图2所示。从图中可知，ip和ui间相位刚好相差90°，说明电路选频效果好，逆变器输出电压表达式为

式中，e为直流电压，ω0是逆变器工作频率，t为时间。

由上式知，方波电压中即存在基波又存在丰富的高次谐波，因此需要设计合理的选频电路来分离方波电压中的基波和谐波，电能发射和接受电路、原副边信号传输电路的参数分别满足：

本发明中选取三次谐波对系统进行分析。

通过参数设计，从逆变输出当波电压中成功分离出基波分量和三次谐波分量，分别用来传输电能和信号。电能信号同步传输及负载识别两种功能的实现是依靠复用开关s3的开通和闭合完成的，在正常工作时，复用开关闭合，系统波形如图2所示；当需要进行负载识别时，首先从原边向副边发送一串制定信号，如“11010”，数字信号“1”表示调制开关sp1闭合，“0”表示调制开关sp1断开，因此随着调制开关的开通与关断会在副边信号传输电路的谐振电容cs1上产生电压包络，利用二极管检波电路和比较电路就能够还原出传输的数字信号，如图3(b)所示。图3(a)表示逆变输出电压波形、电能发射线圈电流波形和负载电压波形，从中也能看出，在信号传递时，对电能传输没有任何影响。

进行负载识别时，先不动作复用开关，检测负载端电压及电流，再送入dsc中进行处理分析，先根据电压电流间的相位差判断出负载性质，再列写负载方程；然后断开复用开关，同样检测负载端电压电流，由于此时副边电路中即存在基波分量又存在三次谐波分量，所以需要对负载电流进行傅里叶级数分解得到其基波分量有效值，再同样列写负载方程。如图4所示，仿真时长0.02s，在0.01s时断开复用开关，图4(a)中表示复用开关断开前后时的逆变输出电压和电能发射线圈电流，可以看出，切换复用开关不会对电能发射电路产生影响；图4(b)表示复用开关切换前后的负载电压(实线)及负载电流(虚线)，可以看出复用开关切换会对负载电压电流产生明显影响；图4(c)表示复用开关切换前后时的负载电压fft分解示意图，复用开关断开后负载电压中三次谐波分量明显增加，因此根据式(1)和(2)就可以解出实际负载电阻值及电抗值。

在完成负载识别后重新闭合复用开关s3，电能接收电路4又和副边信号传输电路5形成并联结构。此时副边信号传输电路5用作信号发送端，而原边信号传输电路3用作信号接收端，信号反向传输的原理和正向传输完全一致，即控制调制开关ss1的开通与关断将数字信号调制进系统中，再通过信号线圈传递到原边，检测原边谐振电容cp32上的电压包络，再送入解调电路中就能够实现信号的还原。图4(a)是信号反向传输时的逆变输出电压、电能发射线圈电流及负载电压波形，可以看出，信号反向传输时对电能的传输也没有任何影响；图4(b)是信号反向传输时的基带信号(上)和解调信号(下)，信号在传输过程中存在一定的延时，这是系统中存在的无源器件(电感、电容)的时间常数造成的，但对于信号传输来说，影响较小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。