ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，电路的原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及一对发射电极，副边部分包括一对接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其特征在于：在调谐电路与一个发射电极之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，信号加载电路向发射电极上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。其效果是，在ECPT系统中利用无线能量传输通道实现了宽频率带宽范围下的信号传输，提升信号传输速率。

【技术实现步骤摘要】
ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法
本专利技术涉及电场耦合无线电能传输(Electric-fieldCoupledPowerTransfer，ECPT)技术，尤其涉及一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法。
技术介绍
无线电能传输技术(WirelessPowerTransfer,WPT)实现了电源到负载的无线供电，摆脱了直接电接触对设备的束缚。电场耦合无线电能传输技术以其轻便、低辐射、耦合机构多样等优点成为无线电能传输领域新的研究热点，系统的电路拓扑如图1所示。国内外专家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模集成电路，无线充电器及电动汽车等诸多应用领域展开研究。目前ECPT系统设计更关注电能的无线传输，但在很多应用领域中不仅需要能量的无线传输，还需要实现能量与信号的并行传输。国内外学者已围绕WPT系统的能量信号并行传输展开研究，但主要集中于ICPT系统。由于ICPT系统与ECPT系统的区别，需要对ECPT系统进行重新分析，针对系统特性设计合适的能量并行传递方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术对ECPT系统的信道进行建模分析，提出了一种ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，该电路基于方波载波占空比键控进行信号调制，并利用无线电能传输电路所构成的信道，实现了宽频率带宽范围下的信号传输，提升信号传输速率，降低信源开关频率，简化信号解调电路，具体的技术方案如下：一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其关键在于：在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。为了减少原边开关管的数量并保证无线电能传输效率，所述高频逆变电路为E类放大电路，所述调谐电路为CLC调谐电路。为了便于实现方波信号的加载，所述信号加载电路包括一直流源、第一开关管和第二开关管，直流源的低电平端连接在调谐电路的一个输出端上，同时该直流源的低电平端串接第一开关管后与发射电极B相连，直流源的高电平端串接第二开关管后也与所述发射电极B相连，所述第一开关管和第二开关管在驱动电路的驱动下开关状态相反。为了将信号序列调制为方波占空比信号，所述驱动电路连接有FPGA调制电路，该FPGA调制电路根据信号序列输出对应占空比的开关驱动信号。为了简化信号解调电路，所述信号拾取电路采用双耦合电容信道结构，一对耦合电容实现能量的传输和提取，另一对耦合电容采用极小容值以实现在信号传输和提取的同时减少对能量传递的影响。结合上述电路结构，本专利技术还提出一种ECPT中的能量信号并行传输电路的控制方法，其关键在于：在原边部分，调制电路按照一一映射关系将信号序列调制为对应占空比的方波信号加载到发射电极B上；在副边部分，信号拾取电路从接收电极上提取上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖峰间隔与信号周期的比例解调出对应的信号序列。作为优选，原边部分加载的方波信号频率为1kHz-2MHz之间。本专利技术的显著效果是：本专利技术针对目前WPT系统能量信号并行传输所存在的信道频带及传输速率有限，且多应用于小功率场合等问题提出了ECPT中的能量信号并行传输电路及其控制方法，以方波信号为信号载波，根据信号序列将载波调制成占空比不同的方波载波信号，实现信号调制，可以通过半桥电路为信源将信号调制进能量通道，实现从原边到副边的单通道传输；在副边通过检测上尖脉峰与下尖脉峰，将脉冲信号转化为方波信号，再根据方波占空比解调出信号序列，拓宽了信道带宽；采用多进制编码提升了信号传输速率、降低了信源开关频率；通过改进耦合机构，简化了解调电路。附图说明图1是ECPT电路系统的拓扑结构图；图2是本专利技术信号加载电路的电路原理框图；图3是图2的信道等效电路图；图4是信道的频率响应Bode图；图5是方波载波输入波形与输出电压波形图；图6是具体实施例中信号加载电路的电路原理图；图7是信号拾取耦合机的构改进示意图图8是双耦合电容结构的电路原理图；图9是ECPT系统能量测试波形图；图10是不同载波频率下系统测试波形图；图11是同一频率下不同占空比的系统测试波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。如图1，图2所示，一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，在本例中，图中所示电源电路为Vin，高频逆变电路是由电感L和开关元件S构建的E类放大电路实现的，调谐电路是由电容CN1、电感LN以及电容CN2构建的CLC调谐电路，为了实现ECPT系统中能量与信号的并行传输，在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号调制电路，在副边部分设置有信号解调电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。在ECPT传输能量的通路中传输信号，信道对信号的衰减特性将直接影响信号传输质量。故对信道的特性分析极为重要。考虑电路中的元器件均为理想器件，将直流源内阻视为零。为简化分析，将电路中的整流滤波电路及用电负载统一考虑成理想阻性负载Ro。在此前提下开关管S的通断将系统分为两个工作模态，信道的等效电路图如图3所示。考虑信号电压u1为信道输入，信道输出为负载电流io。于是各模态下的信道模型可表示为S导通：C1＝[10-1],D1＝-1S关断：C2＝[0100-1],D2＝-1其中，x1＝[uCN2，iLN，uCS]T，x2＝[uCN1，uCN2，iL，iLN，uCS]T。由上述两种模态对应的状态空间方程，以表1中的数据为系统仿真参数，绘制模态1和模态2的信道模型Bode图，得到信道的频域响应特性如图4所示。表1ECPT电路参数图4中两种模态下信道的频域响应较为类似。取信道衰减小于5％为无衰减边界，两种模态下信道无衰减的起始角频率ω1*＝ω2*＝1.16×107rad/s。为减少信道对信号的衰减作用，选择的信号角频率ω需满足ω>max{ω1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及一对发射电极，副边部分包括一对接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其特征在于：在所述调谐电路与一个发射电极之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，所述信号加载电路向所述发射电极上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。

【技术特征摘要】
1.一种ECPT中的能量信号并行传输电路，包括原边部分和副边部分，其中原边部分包括电源电路、高频逆变电路、调谐电路以及A、B两个发射电极，副边部分包括A、B两个接收电极、整流滤波电路以及负载电路，其特征在于：在所述调谐电路与发射电极B之间设置有信号加载电路，在副边部分设置有信号拾取电路，所述信号加载电路向所述发射电极B上加载一方波信号，该信号加载电路中设置有调制电路，该调制电路根据信号序列调制方波信号的占空比，所述信号拾取电路用于检测拾取信号的上尖脉峰和下尖脉峰，并根据上下尖脉峰间隔与信号周期之比解调出所述信号序列。2.根据权利要求1所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述高频逆变电路为E类放大电路，所述调谐电路为CLC调谐电路。3.根据权利要求1或2所述的ECPT中的能量信号并行传输电路，其特征在于：所述信号加载电路包括一直流源、第一开关管和第二开关管，直流源的低电平端连接在调谐电路的一个输出端上，同时该直流源的低电...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，周玮，孙跃，唐春森，王智慧，戴欣，叶兆虹，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85