基于二级降压电路的能信同传WPT系统及其参数设计方法与流程

本发明涉及能信无线同传，尤其涉及基于二级降压电路的能信同传wpt系统及其参数设计方法。

背景技术：

1、无线电能传输技术是一种新型的非接触式的电能接入技术，其具有安全、灵活、便利等优点，大有取代传统电缆供电模式的趋势。结合无线电能传输技术，可为互连线不方便，危险或无法连接的电气设备供电。因此，无线电能传输技术广泛应用于电动汽车、航空航天、智能家居以及消费电子等领域。随着系统复杂程度的提高和对功能需求的多样性日益增加，在一些场合需要实现能量与信号的同步传输，以完成控制指令的发送、系统各组成部分之间的通信，以及对系统状态信息的实时监控。

2、近年来，有相当多的学者对wpt系统能量与信号同步传输展开了研究，并取得了巨大突破。目前主要方法有：(1)利用传统wpt系统进行电能传输，借助已经成熟的无线信号传输模块进行通信；(2)原电能传输通道不变，另增设一组辅助线圈来进行信号传输；(3)利用wpt系统的磁耦合通道为共享通道来对电能和信号并行传输。上述三种方法都能实现wpt系统电能和信号的同步传输，且都在实验中验证了其可行性。对于方法(1)，目前相对成熟的技术有蓝牙、wifi、zigbee以及射频(rf)通信等，但是这些技术往往需要发射端和接收端进行复杂的配对，且成本较高，传输速率有限；对于方法(2)，引入了额外的线圈，增加了wpt系统耦合机构的体积；对于方法(3)，由于能量传输和信号传输共用一个通道，因此数据传输和功率传输的串扰更为剧烈，需要设计更为苛刻的带通滤波器。

3、事实上，当工作频率较高时，wpt系统耦合机构间的金属极板之间的寄生电容不能忽略。有学者提出了利用金属极板的寄生电容产生的高频电场传输数据，功率通过耦合线圈产生的相对低频磁场进行传输。但是该研究功率只达到了40w，无法说明该传输方法在大功率情况下应用情况，且相关研究较少，研究空白较多。

技术实现思路

1、本发明提供基于二级降压电路的能信同传wpt系统及其参数设计方法，解决的技术问题在于：如何在利用金属极板的寄生电容产生的高频电场传输数据的wpt系统中，降低能量与信号传输之间的串扰，使wpt系统在大功率应用场景下仍能正常工作。

2、为解决以上技术问题，本发明提供基于二级降压电路的能信同传wpt系统，设有耦合机构，所述耦合机构设有原边金属极板和副边金属极板，该能信同传wpt系统通过所述原边金属极板和所述副边金属极板进行数据传输；

3、所述能信同传wpt系统还包括1个或2个二级降压电路；

4、所述二级降压电路包括连接所述原边金属极板或所述副边金属极板的第一级降压电路，和连接所述第一级降压电路的第二级降压电路；

5、所述第一级降压电路采用lc高通滤波器，所述第二级降压电路采用运算放大器降压电路。

6、优选的，所述能信同传wpt系统设有包括所述二级降压电路的数据传输线路，所述数据传输线路还包括连接所述第二级降压电路的解调模块，所述解调模块包括顺序连接的信号解调电路、带通滤波器、高速比较器和数据输出电路，所述第二级降压电路连接所述信号解调电路。

7、优选的，所述第一级降压电路包括连接所述原边金属极板或所述副边金属极板的滤波电容c1，还包括滤波电感l1，所述滤波电感l1的一端连接所述滤波电容c1和所述第二级降压电路，所述滤波电感l1的另一端接地。

8、优选的，所述第二级降压电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻rf和运算放大器；所述第一电阻r1连接在所述运算放大器的反相输入端与地之间；所述第二电阻r2的一端连接所述滤波电感l1的一端，所述第二电阻r2的另一端连接所述第三电阻r3的一端和所述运算放大器的同相输入端，所述第三电阻r3的另一端接地；所述第四电阻rf连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。

9、优选的，所述二级降压电路设有两个，分别连接所述原边金属极板和所述副边金属极板。

10、优选的，所述数据传输线路包括原边数据线路、副边数据线路；

11、所述原边数据线路包括原边调制模块、原边解调模块、原边单刀双掷开关，所述原边解调模块包括所述二级降压电路和所述解调模块；所述原边单刀双掷开关的公共端连接所述原边金属极板，所述原边单刀双掷开关的两个切换端分别连接所述原边调制模块和所述原边解调模块；

12、所述副边数据线路包括副边调制模块、副边解调模块、副边单刀双掷开关，所述副边解调模块包括所述二级降压电路和所述解调模块；所述副边单刀双掷开关的公共端连接所述副边金属极板，所述副边单刀双掷开关的两个切换端分别连接所述副边调制模块和所述副边解调模块；

13、当数据从原边向副边传输时，所述原边单刀双掷开关切向所述原边调制模块，所述副边单刀双掷开关掷向所述副边解调模块；

14、当数据从副边向原边传输时，所述原边单刀双掷开关掷向所述原边解调模块，所述副边单刀双掷开关掷向所述副边调制模块。

15、优选的，所述原边调制模块和所述副边调制模块均采用ask调制，信号频率fd为1mhz，载波频率fc为10mhz。

16、优选的，所述原边金属板为原边铁氧体和原边磁屏蔽板等效而成，所述副边金属板为副边铁氧体和副边磁屏蔽板等效而成。

17、优选的，所述能信同传wpt系统还设有能量传输线路；所述能量传输线路包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端包括顺序连接的直流电源udc、全桥逆变器、原边补偿电容cp、发射线圈lp，所述能量接收端包括顺序连接的接收线圈ls、整流滤波电路和负载rl。

18、本发明还提供一种基于二级降压电路的能信同传wpt系统的参数设计方法，其关键在于，包括步骤：

19、根据实际需求确定所述原边金属板和所述副边金属板，并测得所述原边金属板和所述副边金属板之间的电容cps；

20、根据实际需求确定所述发射线圈lp和所述接收线圈ls，并测得所述发射线圈lp和所述接收线圈ls的自感以及两者之间的互感m；

21、根据实际需求确定能量传输工作频率fp，并根据谐振关系确定所述原边补偿电容cp；

22、根据下式确定l1、c1：

23、

24、其中，是为了简化公式而自定义的参数，f*表示所设计滤波器的截止频率，表示基准滤波器的截止频率，r*为所设计滤波器的特征阻抗，rr为基准滤波器的特征阻抗；

25、根据实际需求确定r1和所述运算放大器的输出电压uo；

26、根据下式确定rf：

27、

28、其中，uin1为所述第一级压降电路的输出电压；

29、根据下式确定r2、r3：

30、r1×r3＝r2×rf。

31、本发明提供的基于二级降压电路的能信同传wpt系统及其参数设计方法，该能信同传wpt系统使用金属极板间的寄生电容进行数据传输，使用耦合功率线圈进行电场传输，减少了耦合机构的体积、成本以及复杂程度。采用单电容极板的电场耦合方式传输数据，避免双电容极板之间的交叉耦合，没有增设辅助耦合线圈，也没有能量与信号共享耦合线圈，一定程度上降低了能量和信号传输之间的串扰。采用二级降压电路在信号解调前进行降压，其中第一级降压电路采用高通滤波器，其作用是滤去大部分由能量传输线路带来的低频干扰电压。通过一级降压可以使干扰电压大大降低。但是由于后级解调模块的输入一般不超过2v，且其一般在mv级工作，因此需要第二级降压电路继续对电压缩小，以满足低电压需求。在大功率应用场景下，本发明仍能稳定工作，不影响功率传输的情况下稳定传输数据。