电能无线传输中基于频率分裂的电能和信号同步传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种感应耦合电能和信号同步传输方法，具体是指一种电能无线传输 中基于频率分裂的电能和信号同步传输方法。
【背景技术】
[0002] 1.感应耦合电能传输技术简介与信号传输需求
[0003] 感应耦合电能传输（以下简称ICPT)技术是一种以高频电磁场为电能载体，将电 能以磁能的形式从电源端无线传送到负载端的电能传输新技术。该技术具有安全、可靠及 灵活等优点。感应耦合电能传输技术在轨道交通、电动汽车、消费电子以及生物医疗等领域 有着广泛的应用前景，已成为电气工程领域的研宄热点之一，其【背景技术】可参考文献《中国 电机工程学报》2015年5月，第35卷第10期公开的论文：无线电能传输技术的研宄现状与 应用，作者：浙江大学电气工程学院，范兴明，莫小勇，张鑫。
[0004] 然而在很多实际应用中我们还需要利用感应耦合电能传输通道来完成信号（如 控制信号）的传输。研宄发现由于感应电能传输系统中磁能转换机构及高频电能逆变器的 存在，会对信号传输中的信号载波有较强的电磁干扰和高频电磁兼容等问题，因此需要研 宄适应于感应电能传输系统中基于电能传输通道的信号有效传输方法，实现电能与信号的 同步传输。感应式电能与信号同步传输技术就是在非接触电能传输的同时传输基带信号， 电能与信号共用一个电磁耦合机构和感应线圈。而目前还没有人提出利用无线电能传输系 统中的频率分裂固有特性实现电能和信号的同步有效传输。
[0005] 2.频率分裂条件
[0006] 如图1所示，若传输系统工作角频率为《，根据基尔霍夫电压定律（KVL)，则有：
[0007]
(1)
[0008] 其中，初级线圈回路自阻抗Zii和次级线圈回路自阻抗Z22分别为：
[0009](2)
J一S
[0010] 根据式⑴可求得回路电流为：
[0011]
(3)
[0012]为便于分析，可设RS+RL=R，RP=aR(其中a>〇)，RL= 0R(其中〇< 0 < 1)， LP=Ls=L，CP= Cs= C，引入广义失谐因子
勾品质因 数，％ = +为电路谐振频率，则式⑵可以写成：
[0013]
⑷
[0014] 其中，次级回路阻抗z22通过互感反射到初级回路的等效阻抗为：
[0015] "
" . " (6) 乙">'*7
[0016] 式中，Rn'和Xn'分别是等效阻抗Zn'的等效电阻和等效电抗。等效电阻Rn'表 达式为-
[0017] C6)
[0018]
[0019] ⑴
[0020]将式（4)、（7)代入式（3)可求得初、次级线圈等效回路电流为：
[0021]
C8)
[0022] 电压增益为负载电压与输入电压之比为：
[0023]
(9)
[0024] 对系统电压增益广义失谐因子|的偏导，令W//￥ =〇，可知在
> 3= 〇取得电压增益极值，当I= 〇,Y= 1时，系统电压增 益最大值为：
[0025]
C10)
[0026]由式（9)、（10)可得到归一化的电压增益为：
[0027]
(11)
[0028] 由式（11)得到如图3所示的归一化电压增益的一般化特性响应曲线。由归一化 电压增益步与广义失谐因子I、广义耦合因数Y以及初次级回路阻抗比例系数《的关系 可知：
[0029] (1)在Y= 1(临界耦合）处，系统工作在谐振点时，系统电压增益为最大值； Y>1 (过耦合）处，存在频率分裂现象，但不管在哪个谐振频率点，电压增益能取得极大值； 在y〈l(欠耦合）处，随着广义耦合因数的减小，系统电压增益急剧下降。
[0030] (2)Y>1 (过耦合）处，存在频率分裂现象，但不管在哪个谐振频率点，电压增益能 取得极大值，这就是利用频率分裂现象传输信号必须满足的条件。
[0031] (3)在y>1 (过耦合）处，电压增益的两个分裂峰值受a的影响，当〇? 3〈a〈4时， 电压增益变化较平缓。
[0032] 3.两个稳定分裂频率计算公式
U2) (13) (14) (15)
[0040]其中y需满足y>1，0. 3〈a〈4。
[0041] 4?延时干扰频率控制技术
[0042] 最近研宄表明，在ICPT系统的频率分裂现象中，两个自治稳定的谐振频率可实现 稳定自由切换，具体可参考文献《物理学报》2013年，第62卷第15期公开的论文：基于延时 干扰的感应电能传输系统分岔频率输送控制，作者：重庆大学自动化学院，唐春森、孙跃、戴 欣，等°
[0043]综上技术，本发明专利的申请人在延时干扰频率控制技术的基础上通过自主创 新，找到了一种电能和信号同步传输的技术方案，即一种能适应于感应电能传输系统的电 能无线传输中基于频率分裂的电能和信号同步传输方法。
【发明内容】
[0044] 本发明要解决的技术问题是，提供一种能适应于感应电能传输系统的电能无线传 输中基于频率分裂的电能和信号同步传输方法。
[0045] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种感应无线电能传输中基于 频率分裂的电能和信号同步传输方法，它包括如下步骤，
[0046] 第一步，构建如下传输系统，所述的系统包括原边谐振回路和副边谐振回路；所述 的原边谐振回路包括直流电源、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、过零检测电路、控 制器、驱动电路、延时干扰模块和数字信号输入模块；所述的副边谐振回路包括接收线圈、 副边谐振补偿电路、负载、耦合线圈、信号提取复原模块和数字信号输出模块；
[0047] 第二步，控制器根据数字信号选择延时干扰参数，并在原边谐振电流过零检测信 号的参考下调制形成输出控制信号输出给驱动电路模块；具体调制过程如下：
[0048]a、所述的原边谐振补偿电路的过零检测电路，检测高频逆变线圈Lp回路中的正 弦电流的过零点，经处理形成信号调制时序图中的过零检测信号，以便于确定延时干扰参 数的参考起点，用于确定信号调制时序图中相关参数之间的关系；
[0049]b、所述的延时干扰模块，能够生成第一延时干扰信号为G(STdl)和第二延时干 扰信号为G(S2,Td2);其具体参数值可根据已有的理论和技术进行确定，其步骤有二：
[0050] (1)确定系统的两个自治稳定分裂频率f\，f2;
[0051] (2)确定第一延时干扰信号为GdTj，第二延时干扰信号为G(S2，Td2);其中， ?〇 11
[0052] 第一延时干扰信号的持续时间Tdl且？f延时时间S:且4j_ ^ 、20" 。1
[0053] 第二延时干扰信号的持续时间Td2且延时时间S2且〇<S2
[0054] 所述的数字信号模块就是提供无线信号传输中所需要传输的数字信息；
[0055] 所述的控制器，根据数字信号模块所要传输的数字信息0或1，选择相应的延时干 扰信号G(STdl)或G(S2,Td2)，结合过零检测信号确定输出控制信号时序波形；
[0056] 所述的驱动电路，接收控制器输出的控制信号，按照控制信号时序波形要求实现 对开关网络的驱动控