用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，该方法在ECPT系统中采用多个频率并行传输信号，具有较宽的通信带宽，克服了目前已有电能与信号并行传输系统中信道频带窄的问题，提升了数据传输速率，此外，利用该方法构建的电路拓扑依靠自身阻抗特性实现电能通道与信道间的隔离，完成了绝大部分电能串扰的隔离。最后充分利用信道带宽，根据频分复用法在多路子信道中进行信号调制，采用快速傅立叶变换对拾取信号进行频谱分析，在分离剩余的低频串扰的同时，进行多路高频载波的频谱分离，实现特定串扰频谱下的多路信号解调，相对于模拟解调方式具有较强的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法
本专利技术涉及无线电能传输系统中的信息传输技术，具体的说，是一种用于ECPT(Electric-fieldCoupledPowerTransfer，电场耦合型无线电能传输)系统中的复合信源式电能与信号传输方法。
技术介绍
随着无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术的不断发展与突破，近年来针对基于电场耦合无线电能传输(Electric-FieldCoupledPowerTransfer,ECPT)技术的研究得到了国内外研究人员的关注。全球已有来自新西兰、美国、英国、日本、韩国、中国等国的学者，围绕电动汽车、生物假体、旋转机构、手机、机器人等应用对象的基于ECPT技术无线充/供电问题展开理论研究与应用探索。然而，对于现有的ECPT系统而言尚有一些瓶颈问题有待解决。其中，由于系统工作频率高、模型阶次高所导致的常见问题包括：控制系统复杂、参数敏感性较高、鲁棒性不理想、功率等级与效率有限等。而基于现有ECPT系统的电能与信号并行传输成为一种可行的解决方案。电能发射端与接收端之间的无线信号传输通道可用于构建跨越两端的控制回路，提升系统可控性与控制精度，实现系统最大功率或最优效率跟踪控制；通道还可用于系统两端的时变参数交互，解决参数敏感性较高与系统鲁棒性不理想的问题。此外，除了系统本身工作特性优化所需要的无线信号传输技术外，一些用电设备也需要与电源发射端进行信号传输，如植入型生物假体的数据外传、电动汽车无线充/供电系统电池状态数据回传等。由于电能与信号并行传输技术中，电能载波与信号载波以叠加的形式在电路中共同传输，故而电能对信号传输的串扰问题尤为严重。为解决ECPT系统电能串扰下的信号解调问题，目前主要是依靠模拟电路滤波，通过带通滤波或高通滤波的方式实现电能串扰的抑制，使信号载波传入解调装置。但是，从实际效果来看，由于电能载波幅值远高于信号载波幅值，从而导致模拟滤波不彻底，容易导致滤波后串扰幅值仍高于信号载波幅值，使得解调出错。此外，目前信号传输主要采用单一频率载波的形式，导致信号传输速率较低。
技术实现思路
针对上述两大问题，本专利技术利用ECPT系统特有的电容耦合形式具有显著的高通特性，采用频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)技术，将传输信道的总带宽划分成若干个子通道，充分利用信道带宽，提高了信道利用率与信号传输速率。同时，采用快速傅里叶变换(FastFourierTransformation,FFT)，将融合了各子信道载波与电能串扰的叠加时域信号进行频域化分析，一方面分离串扰对信号解调的干扰，另一方面实现多路信号并行解调，提升信号传输速率和可靠性。为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其关键在于，包括以下步骤：步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1、信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成所述n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同；步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路中；步骤4：对信号拾取电阻上的信号进行采样并选定2m个连续采样点做快速傅里叶变换，变换后的频谱中如果频点fi处为波峰，则认定该采样时段的第i组数字信号为1，否则为0，i为1～n，m正整数；步骤5：将步骤4判断出的单一信元按照步骤2的分配规则还原成原始预发送的数字信号。结合具体场景需要，副边信号支路为信号发射支路，原边信号支路为信号接收支路，当然也可以将原边信号支路设为信号发射支路，副边信号支路设为信号接收支路；进一步地，步骤2预发送的数字信号为无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息。再进一步，所述信号发射支路中设置有两路信号源，所述无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息按规则分成2组，本别采用频率为f1的载波和频率为f2的载波进行ASK调制。为了判定方便，步骤4中采用阈值判定法判定频点fi处是否为波峰。本专利技术的有益效果：本专利技术在ECPT系统中采用多个频率并行传输信号，具有较宽的通信带宽，提升了数据传输速率，此外，通过FFT算法对拾取的叠加了复合载波与电能串扰的混合波形进行在线频谱分析，通过混合波形中各成分的频域分离特性实现复合信号的解调，相对于模拟解调方式具有较强的抗干扰能力。附图说明图1是现有的串联补偿式ECPT系统电路拓扑结构图；图2是本专利技术的主电路拓扑结构图；图3是图2的电能传输通道等效电路图；图4是图2的信号传输通道等效电路图；图5是调制信号与输入信号的时域波形图，其中图5(a)为大尺度模式的观察效果图，图5(b)为小尺度模式的观察效果图；图6是拾取信号频谱图；图7为FFT频谱采样周期和调制周期的对比关系图；图8为解调信号占空比偏差与波特率的关系图。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所示，一种常见的串联补偿式ECPT电路拓扑，电源Edc与滤波电容Cd1并联构成直流电压源，经过由开关管S1-S4组成的前桥逆变后形成交变电压接入由耦合极板Cs1，Cs2与补偿电感L1，L2构成的谐振网络，并在发射端耦合极板上形成高频交变电势差。该电势差激励产生高频电场并在接收端极板上激发交变电压，于是将电能传递至系统接收侧，最终经过二极管D1-D4整流与电容Cd2滤波后为负载RL供电。基于上述拓扑结构，本实施例提出一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，包括以下步骤：步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1以及信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1以及信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成所述n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同；步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路中；步骤4：对信号拾取电阻上的信号进行采样并选定2m个连续采样点做快速傅里叶变换，变换后的频谱中如果频点fi处为波峰，则认定该采样时段的第i组数字信号为1，否则为0，i为1～n，m正整数；步骤5：将步骤4判断出的单一信元按照步骤2的分配规则还原成原始预发送的数字信号。...

【技术特征摘要】
1.一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1以及信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同；步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，吕志坤，孔令鑫，徐思文，周玮，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85