基于方波注入的无线电力载波通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于方波注入的无线电力载波通信方法，该方法用于无线充电系统，属于无线充电通信领域。该方法通过检测系统在不同内移相角下线圈电流的相位变化判断是否存在传递信号，向信号发送端开关管的驱动信号中注入高频方波进行信号调制，信号载波通过线圈耦合至信号接受端，然后采集信号接收端线圈电流，经过FFT运算得到信号载波的频域幅值，最后将该频域幅值与设定参考值比较，得到解调信号。本发明专利技术首次提出了移相控制中的无线电力载波通信方法，该方法无需在电路上增设额外的通信设备，参数设计较为简单，实现了移相控制下无线充电系统稳定、高速的信号传输。高速的信号传输。高速的信号传输。

【技术实现步骤摘要】
基于方波注入的无线电力载波通信方法


[0001]本专利技术涉及无线充电通信领域，尤其涉及到一种基于方波注入的无线电力载波通信方法，所述无线电力载波通信方法用于无线充电系统。

技术介绍

[0002]在实际应用中，为了能够更好地实现无线充电系统的高效率稳定运行，要求无线充电系统在传输电能的同时传输信息，以完成负载输出的反馈控制、多控制器的同步协调、系统的状态检测等功能。因此，如何在尽量不影响到电能传输的同时将信息准确、高速地传输是目前无线电能传输技术中一个亟待解决的问题。
[0003]题为《基于移幅键控的磁耦合谐振式无线电能和信号同步传输方法》(杨庆新,李阳,尹建斌,何亚伟,薛明.基于移幅键控的磁耦合谐振式无线电能和信号同步传输方法[J].电工技术学报,2017,32(16):153
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161)的文章采用四线圈的结构进行电能与信号同步传输，电能发射线圈电能和信号通过磁场耦合至到副边电能接收线圈，利用一个较小的信号提取线圈将信号提取并解调，实现信号的正向传输，但是信号提取线圈容易和原边电能发射线圈耦合造成干扰，且对信号提取线圈的参数设计较为困难。
[0004]题为《基于双侧LCC的全双工无线电能传输能量信号并行传输系统》(王佩月,左志平,孙跃,李小飞,范元双.基于双侧LCC的全双工无线电能传输能量信号并行传输系统[J].电工技术学报,2021,36(23):4981
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4991)的文章采用了载波注入的通信方式，将四组信号通道的互感耦合器电感与原副边的线圈并联，通过信号发射回路的互感耦合器向电能传输通道中注入高频载波，信号接受回路的互感耦合器感应高频载波信号并将其提取，并利用阻波电路减小电能传输通道和信息传输通道之间的影响，实现了正反信号不同频率时的全双工通信，但该文章采用多组信号回路和阻波网络，要考虑到电能传输通道和信息传输通道之间以及正反信号载波之间的影响，参数设计较为复杂，且增加了信息传输的成本。
[0005]题为《Simultaneous Wireless Power and Information Transfer Based on Phase
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Shift Modulation in ICPT System》(X.Liu,C.Xia,X.Han,et al.Simultaneous Wireless Power and Information Transmission Based on Harmonic Characteristic of Soft
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Switching Inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2022，69(6)：6090
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6100(《基于逆变器软开关工作点谐波特性的无线电能与信号同步传输技术》(刘旭，夏晨阳，韩潇左，等.基于逆变器软开关工作点谐波特性的无线电能与信号同步传输技术[J].工业电子学报,2022，69(6)：6090
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6100))的文章将系统谐波作为信号载波，通过调频在副边的信号检测通道得到信号载波的包络变化来进行信号传输，建立WPT系统的频闪映射模型推导DC
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AC逆变器的软开关点，并利用偏差频率放大效应(DFEE)减小调频幅度以最大限度地减少信号传输对电能传输的干扰，这种方式不需要额外的信号发射或接收线圈，信号传输速率较快，但该文章所提方法需要调节开关管的驱动波形频率，改变了整个无线电能传输系统的工作频率，将会导致负载输出存在周期性的波动，且难以实现双向无线充电系统的信号传输。
[0006]综上所述，现有技术中还存在着以下问题：
[0007]1.增设信号线圈的分离通道传输方式和基于变压器耦合的载波通信的共享通道方式，均需要在原电路上增加额外的通信器件，使得电路更加复杂，增加了通信成本。
[0008]2.载波通信方式直接利用信号检测通道对传输信号进行提取，需要综合考虑对电能传输的影响和对信号包络检测的准确，参数设计要求较高。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对前述两个问题，提供一种基于方波注入的无线电力载波通信方法。
[0010]本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提供了一种基于方波注入的无线电力载波通信方法，该方法用于无线充电系统，通过向开关管的驱动信号中注入高频方波实现信号调制，对采集信号进行FFT运算实现信号解调；所述无线充电系统为双向无线充电系统，包括原边直流电源、副边直流电源、无线充电模块和控制器，所述无线充电模块包括原边补偿网络和副边补偿网络，所述原边补偿网络包括原边滤波电容C1、原边H桥电路、原边线圈和原边补偿电容，所述副边补偿网络包括副边滤波电容C2、副边H桥电路、副边线圈和副边补偿电容；所述控制器包括原边控制器和副边控制器；
[0011]所述原边H桥电路和副边H桥电路均包括并联的二个桥臂，每个桥臂由二个带反向并联二极管的开关管组成，具体的，原边H桥电路中，开关管S1和开关管S2组成一个桥臂，开关管S3和开关管S4组成另外一个桥臂，其驱动信号分别记为驱动信号G
S1
、驱动信号G
S2
、驱动信号G
S3
、驱动信号G
S4
，将驱动信号G
S1
和驱动信号G
S4
之间的相位差记为内移相角d1；副边H桥电路中，开关管Q1和开关管Q2组成一个桥臂，开关管Q3和开关管Q4组成另外一个桥臂，其驱动信号分别记为驱动信号G
Q1
、驱动信号G
Q2
、驱动信号G
Q3
、驱动信号G
Q4
，将驱动信号G
Q1
和驱动信号G
Q4
之间的相位差记为内移相角d2；
[0012]所述原边线圈电感值为L
p
,所述原边补偿电容值为C
p
,所述副边线圈电感值为L
s
，所述副边补偿电容值为C
s
，原边线圈和副边线圈通过互感M，互相耦合对方发出的电磁场，并转换为电势能；
[0013]所述通信方法包括以下步骤：
[0014]步骤1，求解传递信号周期倍数α的约束条件
[0015]设信道容量为C，C＝Wlog2(1+S/N),W为信道带宽，W＝ω/2πQ，ω为信号通道的角频率，Q为信号通道的品质因数，Q＝(ωL
z
)/R
z
，L
z
为信号通道的电感值，R
z
为信号通道的电阻值，S/N为信噪比,S为信号通道的信号幅值，N为信号通道的噪声幅值；
[0016]设信息传输速率为B，B＝(1/T)log2(N0)，N0为调制电平数，T为一个数字脉冲信号的重复周期，T＝T
z
，T
z
为传递信号的周期，T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于方波注入的无线电力载波通信方法，该方法用于无线充电系统，通过向开关管的驱动信号中注入高频方波实现信号调制，对采集信号进行FFT运算实现信号解调；所述无线充电系统为双向无线充电系统，包括原边直流电源、副边直流电源、无线充电模块和控制器，所述无线充电模块包括原边补偿网络和副边补偿网络，所述原边补偿网络包括原边滤波电容C1、原边H桥电路、原边线圈和原边补偿电容，所述副边补偿网络包括副边滤波电容C2、副边H桥电路、副边线圈和副边补偿电容；所述控制器包括原边控制器和副边控制器；所述原边H桥电路和副边H桥电路均包括并联的二个桥臂，每个桥臂由二个带反向并联二极管的开关管组成，具体的，原边H桥电路中，开关管S1和开关管S2组成一个桥臂，开关管S3和开关管S4组成另外一个桥臂，其驱动信号分别记为驱动信号G
S1
、驱动信号G
S2
、驱动信号G
S3
、驱动信号G
S4
，将驱动信号G
S1
和驱动信号G
S4
之间的相位差记为内移相角d1；副边H桥电路中，开关管Q1和开关管Q2组成一个桥臂，开关管Q3和开关管Q4组成另外一个桥臂，其驱动信号分别记为驱动信号G
Q1
、驱动信号G
Q2
、驱动信号G
Q3
、驱动信号G
Q4
，将驱动信号G
Q1
和驱动信号G
Q4
之间的相位差记为内移相角d2；所述原边线圈电感值为L
p
,所述原边补偿电容值为C
p
,所述副边线圈电感值为L
s
，所述副边补偿电容值为C
s
，原边线圈和副边线圈通过互感M，互相耦合对方发出的电磁场，并转换为电势能；其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：步骤1，求解传递信号周期倍数α的约束条件设信道容量为C，C＝Wlog2(1+S/N),W为信道带宽，W＝ω/2πQ，ω为信号通道的角频率，Q为信号通道的品质因数，Q＝(ωL
z
)/R
z
，L
z
为信号通道的电感值，R
z
为信号通道的电阻值，S/N为信噪比,S为信号通道的信号幅值，N为信号通道的噪声幅值；设信息传输速率为B，B＝(1/T)log2(N0)，N0为调制电平数，T为一个数字脉冲信号的重复周期，T＝T
z
，T
z
为传递信号的周期，T
z
＝αT0，α为传递周期倍数，T0为基波周期，T0＝1/f0，f0为基波频率；令信息传输速率B不超过信道容量C，即B≤C，根据以上关系式得到传递信号周期倍数α的约束条件；步骤2，原边补偿网络和副边补偿网络的设定令无线充电系统中原边补偿网络和副边补偿网络均为过补偿状态，且在传递信号时原边H桥电路、副边H桥电路端口电压中作为信号波的谐波含量均为零，则无线充电系统中原边线圈电感值L
p
、原边补偿电容的电容值C
p
、副边线圈电感值L
s
、副边补偿电容的电容值C
s
应满足条件：其中，ω0为基波开关角频率，ω0＝2πf0，γ为过补偿系数，k为原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，其值等于互感和原边线圈电感值或副边线圈电感值之比，即k＝M/C
p
＝M/C
s
；令在系统传递信息时,原边H桥电路内移相角d1和副边H桥电路内移相角d2应满足条件：
其中，λ为高频方波的次数，U
λ1
为原边H桥电路端口电压中λ次谐波的有效值，U
λ2
为副边H桥电路端口电压中λ次谐波的有效值，V1为原边直流电源幅值，V2为副边直流电源幅值；步骤3，通过向开关管驱动信号中注入频率为λf0的高频方波进行信号调制将被注入高频方波的驱动信号对应的开关管管脚标号记为n，将频率为λf0的谐波记为信号载波，将每个传递周期内注入高频方波的时间记为βT
z
，0＜β＜1，β为高次方波注入占比；信号调制的编码逻辑为：当传递信号为高电平时，将需要发送的信号记为“1”，注入方波；当传递信号为低电平时，将需要发送的信号记为“0”，不注入方波；向开关管驱动信号中注入高频方波，具体包括：(1)当没有信号需要发送时原边控制器发出四个频率为f0、波形两两互补、占空比为50％的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，李昊，耿嘉庆，赵杨，边媛媛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：