金属板介质下用超声波实现能量与信号的同步传输

摘要

无线电能传输技术因其供电的灵活性受到普遍关注。现阶段已较为成熟的电磁感应耦合和电磁谐振式无线电能传输技术均以电磁场作为传递的媒介，遇到金属障碍物时，能量传输将会减弱甚至阻断。用超声耦合无线电能传输（Ultrasonic Coupled Wireless Power Transfer,UCWPT）技术为密闭金属容器内用电设备供电时可避免上述问题。目前受到重点关注的是能量传输功率与效率的提升，但对负载的用电情况关注不够，因此能量与信号的同步传输方式，可在传输能量的同时将设备接收到的用电情况用信号的方式从密闭容器内部传递出来，增加供电的灵活性并提高电能质量。这也将是今后研究无线电能传输技术的一个热点方向。 阐述了UCWPT技术的研究背景以及研究现状，对金属介质的UCWPT系统进行理论分析，利用机电类比原理建立了功率型压电换能器的等效电路模型，分析了能量收、发侧换能器在谐振和非谐振状态时，UCWPT系统的等效电路模型和传递函数。 提出了一种利用超声波实现能量与信号反向同步传输的方法，利用负载电压信号与三角波信号比较得到PWM波，负载电压的变化体现在PWM波占空比的变化，该PWM波用于驱动实现信号传递的换能器，接收到的电压均方根值与负载电压幅值成线性关系。在此基础上，对PWM波进行傅里叶分解，从波的组成的角度对信号的传递做简要分析。 为实现能量与信号的同步传输，根据换能器参数、负载接收能力等系统要求，设计了用超声波方式实现能量与信号同步传输的电路，主要包括驱动电源、高速比较电路、驱动电路以及信号检测电路。 对影响能量传输能力的主要因素进行了实验，发现电源直流侧电压幅值、电源输出频率以及金属板厚度均对系统的传输能力产生影响。功率型压电换能器频带窄，当电源输出频率为换能器最佳工作频率时，系统传输能力最佳，并得到传输功率与效率随电源直流侧幅值的变化关系。此外，从波长的角度对金属板厚度对系统传输能力的影响进行了简要分析。 对能量与信号的同步传输进行了实验，完成了能量与信号同向、反向的传输。信号传递方向与能量传送方向相同时，用LED负载的明暗变化反映出信号的强弱。信号传递方向与能量传送方向相反时，信号接收侧接收到的电压均方根值与负载电压信号成线性关系，实现了信号从密闭金属容器内部向外部的信号传送。

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