基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法，在双侧LC补偿的ECPT系统的基础上加入由一对信号传输极板与信号检测电阻构成的信号传输通道，并据此提出参数设计方法，本发明专利技术不需添加额外的阻抗隔离电路来降低电能串扰，利用自身阻抗特性构建一条低串扰、低衰减的信号传输通道，在保证电能传输功率的前提下，利用该通道实现了信号的稳定可靠并行传输,同时还降低了信道复杂程度和整体系统成本。此外，通过仿真和实验验证了该方法的有效性，搭建的系统实验装置实现了在波特率1.2kbps‑115.2kbps范围内的电能与信号并行传输。

【技术实现步骤摘要】
基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法
本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术作为一种新型的电能接入方式，摆脱了导线的束缚，使电能的接入更加灵活、安全、方便，在诸多领域都具有广泛的应用前景，越来越受到社会各界的重视。电场耦合式电能传输(Electric-fieldCoupledPowerTransfer,ECPT)技术以电场作为电能传输媒介，具有耦合机构简易轻薄且形状易变及成本低廉；电场限制于耦合电极之间，对周围环境产生的电磁辐射极小；可以通过金属障碍物传输电能等优势。目前已有许多专家学者围绕旋转机构、移动机器人、生物医学设备、移动电话以及电动汽车充电等方面的应用展开研究，并取得了一定的成果。随着无线电能传输技术日益发展，为了达到更好的电能传输效果，提高系统鲁棒性和系统能效，需要电能发射侧与电能接收侧进行实时的数据交互；除此之外，在一些应用场合中，也需要实现控制信号从发射侧向接收侧的发送及检测信号数据从接收侧向发射侧的回传，例如矿井下无线供电系统的控制信息发送及状态检测量的反馈、电动汽车无线充/供电系统控制信号发送及电池状态数据回传等。因此在电能传输的同时，还需要实现信号并行传输。目前许多学者已经围绕电能与信号并行传输展开了研究并提出了一些解决方案。文献SonYH,JangBJ.Simultaneousdataandpowertransmissioninresonantwirelesspowersystem[C]//Asia-PacificMicrowaveConferenceProceedings.IEEE,2013:1003-1005.针对ICPT系统采用电能调制的方式实现了电能与信号的并行传输，根据负载电阻上的电压幅值变化来解调出信号。文献SuYG,ZhouW,HuA,etal.Full-duplexCommunicationontheSharedChannelofaCapacitivelyCoupledPowerTransferSystem[J].2016,32(4):3229-3239.针对ECPT系统采用ASK方式将信号载波加载到耦合极板的两端，以电场作为传输媒介，实现了电能与信号的并行传输，并且实现了信号的全双工传输。苏玉刚,周玮,呼爱国,等.基于方波载波占空比调制的ECPT系统能量信号并行传输技术[J].电工技术学报,2015,30(21):51-56.以方波作为信号载波，以不同的占空比代表不同码元，提升了信号传输速率。从目前文献提出的几类实现电能与信号并行传输的方法来看，电能调制式原理简单但其对电能传输的影响较大，令其应用严重受限；共享通道式具有系统体积小，对电能传输影响小等优势，但存在电能传输对信号传输的串扰，增加了系统控制及信号调制与解调的成本。
技术实现思路
本申请通过提供一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法，以解决电能传输与信号传输间相互串扰及信号通道复杂的技术问题。为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，包括直流电源Edc、高频逆变电路、第一LC谐振网络、电场耦合机构、第二LC谐振网络、整流滤波电路、负载RL以及信号传输通道，其中：所述直流电源Edc连接在所述高频逆变电路的输入端，在所述高频逆变电路的输出端连接所述第一LC谐振网络，该第一LC谐振网络包括谐振电感L1与谐振电容C1，在所述谐振电容C1的两端各自连接有一块发射极板，所述第二LC谐振网络包括谐振电感L2与谐振电容C2，在所述谐振电容C2的两端各自连接有一块接收极板，所述发射极板与所述接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，所述第二LC谐振网络与所述整流滤波电路的输入端相连，所述整流滤波电路的输出端为负载RL供电；所述信号传输通道包括信号调制发射模块、信号解调接收模块、信号检测电阻Rb以及一对信号传输极板，其中：所述信号调制发射模块将信号加载于电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板上，通过电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板将信号传输到信号检测电阻Rb上，利用所述信号解调接收模块从所述信号检测电阻Rb上解调出发射的信号。进一步地，所述第一LC谐振网络和所述第二LC谐振网络满足以下谐振条件：式中，ωp为极板激励电压角频率，ωs为载波角频率，α为载波角频率与极板激励电压角频率之比。进一步地，所述信号调制发射模块与信号解调接收模块采用ASK模式调制解调。进一步地，所述信号解调接收模块先由运算放大器搭建带通滤波器，滤除系统噪声，再通过检波二极管和并联RC网络，得到调制载波信号的包络线，最后通过滞回比较器对得到的包络线进行整形以还原数字信号。一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统的参数设计方法，包括如下步骤：S1：按权利要求1所述的电路拓扑结构构建一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，设定系统输出功率P、负载阻值RL、直流电压Edc、极板激励电压频率fP、载波频率fS、调制载波幅值uS、电场耦合机构中两对耦合极板对应的等效电容CS1和CS2；S2：计算输出电压增益β；S3：设定谐振电感L1的初始值；S4：计算谐振电容C1、谐振电容C2以及谐振电感L2；S5：绘制电能串扰系数Gps与信号传输极板等效电容CS3、信号检测电阻Rb的曲面图，绘制信号衰减系数Gss与信号传输极板等效电容CS3、信号检测电阻Rb的曲面图；S6：以电能串扰系数Gps趋近于0，信号衰减系数Gss趋近于1，在曲面内选取信号传输极板等效电容CS3和信号检测电阻Rb的值；S7：判断是否满足信号串扰比SPR≥ε，式中，ε为信号能够成功解调的最小SPR值，如果满足，则进入步骤S8，否则调整谐振电感L1的值，并跳转至步骤S4；S8：得到各系统参数值。进一步地，步骤S2中输出电压增益β的计算方法为：式中，Re为整流滤波电路及负载RL的交流等效电阻，ui为高频逆变电路的输出等效方波电压，其中Ui表示峰值；up为忽略ui高次谐波的正弦电压，其中Up表示峰值；uo为交流等效电阻Re的输出电压，其中Uo表示峰值。进一步地，步骤S4中根据第一LC谐振网络和第二LC谐振网络满足的谐振条件来计算谐振电容C1、谐振电容C2以及谐振电感L2：式中，ωp为极板激励电压角频率，ωs为载波角频率，α为载波角频率与极板激励电压角频率之比。进一步地，步骤S5中电能串扰系数(根据叠加定理，将调制载波us视为短路)，信号衰减系数(根据叠加定理，将电能输入电压up视为短路)，式中，为信号检测电阻Rb的电压，us为信号调制发射模块输出的信号电压，up为忽略逆变输出方波电压高次谐波的等效正弦电压。进一步地，步骤S7中信号串扰比与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该专利技术不需添加额外隔离电路，利用电路自身阻抗特性，减小电能对信号的干扰，降低信道的复杂度，并且保证信号通道的存在不会影响系统传输功率。附图说明图1为电能与信号并行传输系统电路拓扑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，其特征在于，包括直流电源Edc、高频逆变电路、第一LC谐振网络、电场耦合机构、第二LC谐振网络、整流滤波电路、负载RL以及信号传输通道，其中：所述直流电源Edc连接在所述高频逆变电路的输入端，在所述高频逆变电路的输出端连接所述第一LC谐振网络，该第一LC谐振网络包括谐振电感L1与谐振电容C1，在所述谐振电容C1的两端各自连接有一块发射极板，所述第二LC谐振网络包括谐振电感L2与谐振电容C2，在所述谐振电容C2的两端各自连接有一块接收极板，所述发射极板与所述接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，所述第二LC谐振网络与所述整流滤波电路的输入端相连，所述整流滤波电路的输出端为负载RL供电；所述信号传输通道包括信号调制发射模块、信号解调接收模块、信号检测电阻Rb以及一对信号传输极板，其中：所述信号调制发射模块将信号加载于电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板上，通过电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板将信号传输到信号检测电阻Rb上，利用所述信号解调接收模块从所述信号检测电阻Rb上解调出发射的信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，其特征在于，包括直流电源Edc、高频逆变电路、第一LC谐振网络、电场耦合机构、第二LC谐振网络、整流滤波电路、负载RL以及信号传输通道，其中：所述直流电源Edc连接在所述高频逆变电路的输入端，在所述高频逆变电路的输出端连接所述第一LC谐振网络，该第一LC谐振网络包括谐振电感L1与谐振电容C1，在所述谐振电容C1的两端各自连接有一块发射极板，所述第二LC谐振网络包括谐振电感L2与谐振电容C2，在所述谐振电容C2的两端各自连接有一块接收极板，所述发射极板与所述接收极板一一对应耦合实现能量无线传输，所述第二LC谐振网络与所述整流滤波电路的输入端相连，所述整流滤波电路的输出端为负载RL供电；所述信号传输通道包括信号调制发射模块、信号解调接收模块、信号检测电阻Rb以及一对信号传输极板，其中：所述信号调制发射模块将信号加载于电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板上，通过电场耦合机构中的一对耦合极板以及信号传输通道中的一对信号传输极板将信号传输到信号检测电阻Rb上，利用所述信号解调接收模块从所述信号检测电阻Rb上解调出发射的信号。2.根据权利要求1所述的基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，其特征在于，所述第一LC谐振网络和所述第二LC谐振网络满足以下谐振条件：式中，ωp为极板激励电压角频率，ωs为载波角频率，α为载波角频率与极板激励电压角频率之比。3.根据权利要求1所述的基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，其特征在于，所述信号调制发射模块与信号解调接收模块采用ASK模式调制解调。4.根据权利要求3所述的基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，其特征在于，所述信号解调接收模块先由运算放大器搭建带通滤波器，滤除系统噪声，再通过检波二极管和并联RC网络，得到调制载波信号的包络线，最后通过滞回比较器对得到的包络线进行整形以还原数字信号。5.如权利要求1所述的基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：按权利要求1所述的电路拓扑结构构建一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，朱梦磊，唐春森，孙跃，戴欣，王智慧，叶兆虹，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50