基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输方法与流程

本发明属于无线电能传输，具体涉及一种基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术和控制技术的迅速发展，能量和信息传输正逐渐从传统的电缆传输方式转向无线传输方式。新型的电能传输方式基本上都是以实现无线电能传输为目的作为研究方向。

2、目前，主要的无线电能传输技术包括非接触感应式耦合电能传输(inductivelycoupled power transfer，icpt)、磁场谐振式(electro-magnetic resonant powertransmission，erpt)、微波辐射式(microwave power transmission，mpt)以及射频电能传输技术(radio frequency power transmission，rfpt)等。其中，磁感应式和电场感应式无线电能传输是当前的研究热点。而能量传输过程中往往伴随着信号的传输。传统的无线能量和信号传输技术的研究主要有两种传输方案：一种是通过独立通道单独传输能量和信号，另一种是通过同一通道传输能量和信号。前者增加了传输机制的体积和成本，设备的复杂度增高，并导致能量和信号传输之间产生显著的干扰。后者主要通过改变能量载体的传输波形来载入信号，因此，在信号传输过程中，由于频率或振幅变化，功率和效率将受到影响。然而，后者的设备尺寸减小、成本降低，能够极大地降低能量和信号传输之间的干扰。随着研究和技术进步的不断深入，特别是在使用能够通过同一通道传输能量和信号的技术方面，它将成为无线能量和信号传输技术研究的主要焦点。

3、在当前的无线能量和信号传输方法中，信号加载主要通过逆变器开关电路或信号耦合线圈实现。然而，逆变器连接容易产生共振偏移，在高功率水平下会导致电磁干扰；而信号耦合线圈则容易受到主电路高频反转能量的影响。此外，关于无线能量和信号传输应用的研究主要集中在感应式无线能量传输平台上，磁耦合谐振无线能量传输平台的研究相对较少。

4、为了避免逆变器连接信号加载的缺点，同时减少逆变器对系统的影响，我们需要设计一种优化补偿策略，以提高能量和信号的传输性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输方法，解决了现有技术中存在的电能高效率传输、电能与信号共用一个传输通道以及信号与电能传输互不干扰的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1、原边全桥逆变网络交流直流电转化；

4、步骤2、构建能量信号分时传输电路拓扑网络；

5、步骤3、基于2fsk的信号调制和信号的解调；

6、步骤4、基于磁耦合谐振无线电能传输的电能和信号切换。

7、本发明的特点还在于，

8、步骤1具体按照以下步骤实施：

9、使用电压型全桥逆变器，设定直流电源经过全桥逆变网络后转换为高频交流方波，全桥逆变网络工作过程具体如下：

10、设开关s1、s2、s3、s4均为构成全桥逆变的npn增强型mosfet开关管；

11、阶段1，即时刻t0～t1：对角开关管s1和s4导通，原边串联谐振回路中激励电压和电流同向，原边电流以正弦上升至峰值后衰减，在t1时刻，s4关断，此时原边电流不为零，由s4强制换流至同一桥臂的s2开关管反并联二极管，s2开通时实现零电压开通zvs；

12、阶段2，即时刻t1～t2：两个桥臂的上管s1和s2反并联二极管导通，全桥输出电压为谐振回路中谐振电流保持方向不变，以正弦衰减，在t2时刻，原边电流过零并反向，谐振电容电压达到正向峰值，电感电压达到反向峰值；电流由s1自然换流至其反并联二极管，由s2反并联二极管自然换流至s2。

13、阶段3，即时刻t2～t3：两个桥臂的s1上管反并联二极管和s2导通，全桥输出电压仍为0，谐振回路电流反向，以正弦反向上升，在t3时刻，s1关断，s3导通，电流由s1的反并联二极管强制换流至s3，关断时实现零电压关断zvs；

14、阶段4至阶段6与阶段1至阶段3是对称的，电路工作情况与正半周期相似。

15、步骤2具体按照以下步骤实施：

16、采用初级串联补偿电路，次级不补偿电路，次级耦合线圈中的感应电压，经全桥整流环节以及大电容滤波器供给负载，故次级回路中负载电阻以及全桥整流网络，相对于次级拾取线圈的等效电阻表示为：

17、

18、式中：req表示次级回路整流桥与负载的等效阻抗，rl表示整流侧的负载电阻；

19、根据补偿网络及其耦合线圈，得知系统的原副边回路有以下关系：

20、

21、式中：rp、lp、cp分别为原边耦合线圈的等效电阻、原边耦合线圈的自感和原边的谐振补偿电容，ip、is分别为原、副边主电路电流，m为耦合线圈的互感，ω为电路工作频率下的角频率值，up是直流电源经高频逆变后产生的交流方波电压；

22、

23、式中：rs、ls、req分别为副边耦合线圈的等效总电阻、副边耦合线圈的自感和次级回路整流桥与负载的等效阻抗，ip、is分别为原、副边主电路电流，ω为电路工作频率下的角频率值；

24、且原边满足谐振状态：

25、

26、式中：ω为电路工作频率下的角频率值，lp、cp分别为原边耦合线圈的自感和原边的谐振补偿电容；

27、上式经整理得原边电流为：

28、

29、式中：ip为原边主电路电流，up是直流电源经高频逆变后产生的交流方波电压，rp、lp、cp分别为原边耦合线圈的等效电阻、原边耦合线圈的自感和原边的谐振补偿电容，ω为电路工作频率下的角频率值，m为耦合线圈的互感，rs、ls、req分别为副边耦合线圈的等效总电阻、副边耦合线圈的自感和次级回路整流桥与负载的等效阻抗；

30、

31、式中：is为副边主电路电流，m为耦合线圈的互感，ip为原边主电路电流，ω为电路工作频率下的角频率值，rs、ls、req分别为副边耦合线圈的等效总电阻、副边耦合线圈的自感和次级回路整流桥与负载的等效阻抗；

32、当磁场谐振式erpt系统工作在一个固定的负载范围时，其负载阻值的变化范围在规定的区间，且系统工作在一个高频的状态，此时rs+req/jω忽略不计，则系统副边电流表示为

33、

34、式中：is为副边主电路电流，m为耦合线圈的互感，ip为原边主电路电流，ls副边耦合线圈的自感；

35、由上式看出拓扑网络的初次级电流之间没有相位差，当初级电感电流处于过零点时，次级也处于过零点，则磁耦合谐振无线电能、信号传输系统处于零能量储存状态，此时将系统进行能量和信号传输的功能切换；

36、且在信号通道加入阻波网络，阻波网络中心频率满足下式：

37、

38、式中：f为谐振频率，lp、cp分别为原边耦合线圈的自感和原边的谐振补偿电容；由lp、cp分别为原边耦合线圈的自感和原边的谐振补偿电容组成的lc并联阻波网络，用来隔离能量通道与信息通道之间的阻抗影响。

39、步骤3具体按照以下步骤实施：

40、2fsk信号调制是通过两个频率不同的高频载波信号f1、f2对基带信号进行调制，在频率点f1时发送数字“1”，在频率点f2时发送数字“0”，2fsk信号的振幅和初相位不变，2fsk的控制是由基带信号一路直接与载波发生器经由乘法器运算得出，一路通过反相器后，再与载波发生器经由乘法器运算得出之后通过加法器得出2fsk调制信号，基带信号直接与载波信号f1经由乘法器相乘，当数字信号为1时，输出频率为f1的载波，当数字信号为0时，输出为0；数字信号经过一个反向器后与载波信号f2相乘，当数字信号为1时，输出为0，当信号为1时，输出频率为f2的载波，将两部分用加法器相加后输出频率不一样的高频信号2fsk，这样就实现了用高频信号f1表征数字信号1，高频信号f2表征数字信号0；

41、信号的解调过程具体为：将fsk调制信号经全桥整流、低通滤波后，完成频率与幅度的变换，再根据直流分量在幅度上的不同利用限幅比较模块，还原出数字信号“1”和“0”。

42、步骤4具体按照以下步骤实施：

43、磁耦合谐振式无线电能、信号分时传输的电路图，基于磁耦合谐振的无线电能传输系统经过全桥逆变后将高频方波电能传输到耦合线圈前端的功能切换开关q1、q2处，q1和q2分别为能量信号传输阶段进行能量和信号传输切换导通的晶体管开关，当q1导通、q2关断时，电能传输系统经过初级谐振拓扑网络处于高功率传输状态；当q1关断、q2开通时，耦合线圈与电能传输回路完全断开不再受电能传输的影响，调制的2fsk信号经过功率放大以及阻波网络后加载到耦合线圈两端，系统的信号与能量的传输在时间上是互补的，能量和信号传输控制开关的切换周期是全桥逆变开关周期的整数倍，以使得整个系统切换的电感电流工作在过零点处，即工作在零能量储存状态，使得信号与电能传输的相互干扰大大降低。

44、本发明的有益效果是，基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输方法，(1)在磁耦合谐振式无线电能与信息分时传输系统中，原边采用2fsk(频幅键控)的方法将信号经功率放大模块后加载到共享通道进行传输，在副边利用非相干解调方式对信号提取线圈提取到的电能进行信号复原。该种电能和信号传输方法可以减少逆变环节，降低损耗，提高信号传输品质，而且非相干解调的设备复杂度较小，成本低。(2)本发明中所涉及的非接触式电磁谐振式电能传输利用了磁场的谐振方式，不仅弥补了感应式非接触无线电能传输距离短的缺陷，极大地降低了能量传输对环境的影响，同时将信息传输距离提高到了米级范围。(3)本发明中所涉及的磁耦合谐振式水下无线电能与信号的分时传输相比于传统的充电方式大大降低了设备的体积和成本，而且提高了设备充电的稳定性。(4)本发明所涉及的基于磁耦合谐振式无线电能和信号分时传输采用的是共用一个通道进行的分时传输，在进行优化策略后，不仅避免其他多通道传输的交叉耦合带来的建模、控制、干扰等关键问题，大大节省了体积和成本，而且减弱了电能与信号传输的相互干扰，提高了电能传输效率和信号的准确性。