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

摘要

本发明提供了一种基于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。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，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。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,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-field Coupled PowerTransfer,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Son Y H,Jang B J.Simultaneous data and power transmission in resonantwireless power system[C]//Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings.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Su Y G,Zhou W,Hu A,et al.Full-duplexCommunication on the Shared Channel of a Capacitively Coupled Power TransferSystem[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。

发明内容

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E_dc、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R_L以及信号传输通道，其中：

所述直流电源E_dc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R_L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R_b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R_b上，利用所述信号解调接收模块从所述信号检测电阻R_b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，ω_p为极板激励电压角频率，ω_s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R_L、直流电压E_dc、极板激励电压频率f_P、载波频率f_S、调制载波幅值u_S、电场耦合机构中两对耦合极板对应的等效电容C_S1和C_S2；

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G_ps与信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b的曲面图，绘制信号衰减系数G_ss与信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b的曲面图；

S6：以电能串扰系数G_ps趋近于0，信号衰减系数G_ss趋近于1，在曲面内选取信号传输极板等效电容C_S3和信号检测电阻R_b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，R_e为整流滤波电路及负载R_L的交流等效电阻，u_i为高频逆变电路的输出等效方波电压，其中U_i表示峰值；u_p为忽略u_i高次谐波的正弦电压，其中U_p表示峰值；u_o为交流等效电阻R_e的输出电压，其中U_o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，ω_p为极板激励电压角频率，ω_s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u_s视为短路)，信号衰减系数(根据叠加定理，将电能输入电压u_p视为短路)，式中，为信号检测电阻R_b的电压，u_s为信号调制发射模块输出的信号电压，u_p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：该发明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；

图2为信号调制发送原理图；

图3为信号接收解调原理图；

图4为电能传输通道等效电路图；

图5为信号传输通路分析电路图；

图6为信号传输通道等效电路图；

图7为系统参数设计方法流程图；

图8为有无信号传输回路电能传输波形图；

图9为无信号传输下电能串扰波形图；

图10为无电能传输时信号传输波形图；

图11为电能信号并行传输波形图；

图12为无信道电能传输实验波形图；

图13为有信道电能传输实验波形图；

图14为无信号传输电能串扰实验波形图；

图15为无电能传输信号调制解调实验波形图；

图16为电能信号并行传输实验波形图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于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。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于ECPT的电能与信号回路分离式并行传输系统，如图1所示，包括直流电源E_dc、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R_L以及信号传输通道，其中：

所述直流电源E_dc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R_L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R_b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R_b上，利用所述信号解调接收模块从所述信号检测电阻R_b上解调出发射的信号。

图1是基于ECPT系统的电能与信号回路分离式并行传输系统电路拓扑。电能传输的基本原理是将直流电经过高频逆变电路转变为高频交流电，通过第一LC谐振网络后加载于耦合极板上，在耦合极板之间产生高频交变电场，形成位移电流，将电能从发射侧传输到接收侧。电能接收侧再通过第二LC谐振网络，并进行整流和滤波后，实现为负载供电。信号主要通过以电场耦合机构等效电容C_S2和信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b构成的回路传输，其与电能传输回路分离。

本发明依托于双侧LC补偿的ECPT系统，这种补偿方式的ECPT系统结构简单并具有良好的恒压特性。电能发射侧的第一LC谐振网络在一定程度上补偿耦合电容的容抗，并提升极板激励电压；接收侧的第二LC谐振网络实现阻抗匹配，提升系统输出能力。在此基础上增设了一对信号传输极板，其等效电容为C_S3，信号检测电阻R_b，构造了一条信号传输通道，调制信号加载于电场耦合机构等效电容C_S2和信号传输极板等效电容C_S3的a、b端，通过电场耦合机构等效电容C_S2和信号传输极板等效电容C_S3传输到信号检测电阻R_b上。

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，ω_p为极板激励电压角频率，ω_s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。

在数字信号传输过程中需将信号按照一定方式进行调制，以调制载波的方式在信道中传输，调制的方式有幅度调制、相位调制、频率调制等等。幅度调制(Amplitude ShiftKeying,ASK)方式具有调制电路简单、载波频率单一且对带宽要求低的优点，因此本发明采用ASK调制方式，图2(a)为信号调制发送原理图。u_z为高频载波源，u_sig为数字信号源，选通芯片根据数字信号源u_sig输出调制载波，其中有载波代表数字信号1，无载波代表数字信号0，最后通过紧耦合变压器隔离输出调制载波。信号调制模块可等效为调制信号源u_s，如图2(b)所示。

信号解调是指将调制载波重新还原为数字信号的过程。包络解调是ASK调制方式最为简捷的解调方式，通过获取载波包络线，从而还原数字信号。图3为信号接收解调原理图，输入为信号检测电阻R_b两端的拾取电压，通过由运放搭建的带通滤波器，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。

为了保证电能传输和信号传输的品质，需要关注信号在传输过程中的衰减及电能传输对于信号的串扰，即信号尽量走电场耦合机构等效电容C_S2、信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b形成的回路，而电能尽量走发射侧和接收侧谐振网络及电场耦合机构等效电容C_S1和电场耦合机构等效电容C_S2形成的回路，实现电能与信号回路的分离。因此建立系统数学模型及各个分量之间的衰减模型很有必要。

(1)电能传输模型

图4为电能传输通道等效电路，将电压型高频全桥逆变电路的输出等效为方波电压源u_i，其中U_i表示峰值；忽略其高次谐波可以近似处理为正弦电压源u_p，其中U_p表示峰值；u_s为信号调制发射模块输出的信号电压，整流滤波电路及负载R_L的交流等效电阻为R_e，R_e、R_L、U_i与U_p之间的关系如式(2)所示。

根据叠加定理，考虑电能传输增益时，将信号调制发射模块输出的信号电压(调制载波源)u_s视为短路。设虚框内以AB端口为输入的等效信道阻抗为Z_s。根据交流阻抗法分析，可以得到以下各部分的阻抗关系：

式中，“//”表示并联运算符，那么可以得到输出电压增益：

当满足式(1)的谐振条件时，可化简为：

由式(5)可知，输出电压u_o与输入电压u_p反相，定义β为输出电压增益。从式(5)中可以看出，在这种配置方式下，系统输出电压幅值不受加入信道的阻抗影响，即信道的存在不会影响输出电压。

(2)电能串扰模型

电能串扰是指仅考虑电能输入的情况下，信号检测电阻R_b上的电压响应，根据图4拓扑结构及阻抗划分，可以计算得到以下表达式：

式中，u_C1、u_Cs2、u_Cs3、u_Rb分别表示谐振电容C₁，等效耦合电容C_S2、C_S3以及信号检测电阻R_b的电压。可以得到输入电压u_p在信号检测电阻R_b上的电压响应表达式，即电能串扰模型为：

式(7)中G_ps为电能串扰系数，可以分析电能传输对信号的串扰影响，G_ps越趋近于零，电能传输对于信号传输的串扰越小。

(3)信道衰减模型

分析信号传输通路时，根据叠加定理将电能输入电压u_p源视为短路，如图5所示。通过分析信号检测电阻R_b上拾取电压，来说明信号在信道传输中的衰减情况。在电能频率和信号频率下，虚圈内从AB端口看入的第一LC谐振网络的阻抗特性不同，在电能工作频率下，满足式(1)关系，那么在信号高频ω_s下，第一LC谐振网络的阻抗为：

由式(1)中的两个工作频率关系带入式(8)，得

因为α远大于1，所以

通过上述分析，可以得到图6所示的无电能传输时信号传输通道等效电路，电容C_e为谐振电容C₁与等效耦合电容C_S1的串联等效电容，即：

按照图6所示虚线划分，可以得到信号传输等效电路各局部阻抗表达式为：

根据式(12)，可以得到以下关系式：

式(13)即为信道中信号衰减模型，G_ss为信号衰减程度，其值越大，表明信号传输过程中的衰减越少。

综上所述，本发明还提出了一种基于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，如图7所示，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R_L、直流电压E_dc、极板激励电压频率f_P、载波频率f_s、调制载波幅值u_S、电场耦合机构中两对耦合极板对应的等效电容C_S1和C_S2；

电场耦合机构中两对耦合极板对应的等效电容C_S1和C_S2是根据系统传输功率计实际允许值来确定的。

S2：计算输出电压增益β；

首先计算

忽略整流环节损耗可得

式中，R_e为整流滤波电路及负载R_L的交流等效电阻，u_i为高频逆变电路的输出等效方波电压，其中U_i表示峰值；u_p为忽略u_i高次谐波的正弦电压，其中U_p表示峰值；u_o为交流等效电阻R_e的输出电压，其中U_o表示峰值。

S3：设定谐振电感L₁的初始值；谐振电感L₁的初始值可根据经验和仿真分析来设定；

S4：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；

S5：绘制电能串扰系数G_ps与信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b的曲面图，绘制信号衰减系数G_ss与信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b的曲面图；

由式(6)、式(7)、式(12)、式(13)可知以L₁的初始值计算确定了第一谐振网络和第二谐振网络参数后，电能串扰系数G_ps与信号衰减系数G_ss只与信号传输极板等效电容C_S3、信号检测电阻R_b有关，即

S6：以电能串扰系数G_ps趋近于0，信号衰减系数G_ss趋近于1，在曲面内选取信号传输极板等效电容C_S3和信号检测电阻R_b的值；

S7：判断是否满足信号串扰比SPR≥ε，其中，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。

下面将通过仿真和实验的方法进一步验证本发明的有效性。

仿真验证：

按照上述分析，给出一组系统参数，并在MATALB平台中建立系统仿真模型，仿真参数取实验装置实际值，便于分析比较，如表1所示。

表1系统参数

将表1参数代入系统仿真模型，全桥直流输入设为15V，仿真时间为200μs，载波幅值为3V，信号方波频率为57.6kHz，相当于波特率为115200bps。

图8为有无信号传输回路的双侧LC电能传输拓扑的电能传输波形。此时主要是为了分析增加信号回路时对电能传输拓扑的影响，因此将载波幅值设为0。仿真中系统工作频率为392kHz，直流输入为15V。图8中从上到下为逆变输出波形u_i，等效交流负载电阻上的输出电压u_Re。图8(a)为未加入信号回路的仿真结果，逆变输出方波峰值为15V，输出电压u_Re峰值为30.1V，电能传输功率为22.65W。图8(b)为加入信号回路的仿真结果，逆变输出方波峰值为15V，输出电压u_Re峰值为30V，电能传输功率为22.5W。加入前后传输功率几乎没有变化，说明了信号通道对系统传输功率没有影响。

图9为无信号传输下电能串扰波形。图9中从上到下为驱动波形u_g，逆变输出波形u_i，检测电阻上的检测电压波形u_Rb。仿真结果中逆变方波峰值为15V，那么根据式(2)，等效正弦基波u_p峰值为19.10V，检测电阻R_b上的电能串扰峰值为0.45V，可知串扰为2.36％，根据式(7)计算得理论值为2.28％，基本一致。

图10为无电能传输时信号传输波形。图10中从上到下为信号波形u_sig，调制载波波形u_s，检测电压波形u_Rb，解调信号波形u_ds。其中u_s峰值为3V，且在数字信号为1时出现载波，在数字信号为0时没有载波，检测电压波形即为检测电阻R_b两端的电压，从仿真结果中可以看出，峰值为1.8V，可知信号衰减到60％，根据式(13)计算得理论值为60.02％，基本一致。

图11为电能信号并行传输时各波形图。图11中从上到下为信号波形u_sig，检测电压波形u_Rb，解调信号波形u_ds，等效交流负载电阻上的输出电压u_Re。可见检测电阻上的波形为无信号时电能串扰波形与无电能时检测电压波形的叠加，与理论分析一致。输出电压u_Re峰值为30.1V，传输功率为22.65W，与未加入信号之前一致。

实验验证：

按照图1所示的系统拓扑搭建实验装置，其中以等效交流电阻代替了整流桥及负载电阻。装置参数如表1所示。以下实验波形采用的信号方波频率为57.6kHz，相当于波特率为115200bps。

图12和图13分别为未加入信号回路和加入信号回路的电能传输实验波形。图中从上到下分别为驱动波形，逆变输出波形，输出电压波形。实验逆变输出方波波形有些畸变，主要是由于配置实际谐振电感及电容参数有偏差以及系统频率的小幅度漂移造成的；实际线圈存在内阻，所以输出电压为22.4V，低于仿真结果。对比两种情况下的输出电压波形，基本相符合，验证了信号回路的存在对于输出电压几乎没有影响。

图14为无信号传输的电能串扰波形。图中从上到下为驱动波形，逆变输出波形，检测电压波形。实验波形与仿真吻合，验证了系统抑制电能串扰的有效性。图15为无电能传输的信号调制解调波形。图中从上到下为信号波形，调制载波波形，检测电压波形，解调信号波形。实验信号波特率为115.2kbps，调制载波峰值为3.2V，检测载波峰值为1.8V，可知信号衰减为0.56，实际波形与仿真结果基本相符，验证了信号衰减模型的正确性。

图16为电能信号并行传输波形。图中从上到下为信号波形，检测电压波形，解调信号波形，输出电压波形。解调信号相对于原信号有一定的滞后，主要是由于解调电路中获取包络时，由于实际电路的阻尼，包络线不完全为一个方波，需要通过一个电压比较器对包络线进行整形还原信号，比较原则是当电压高于门限电压时输出高电平，低于门限电压时输出低电平，因此产生了解调信号的滞后。实验波形与仿真结果吻合，验证了理论与仿真的正确性。图中信号方波频率为57.6kHz，输出电压峰值为22.4V，与无信道传输电能时相同。此时电能传输功率为12.54W，信号传输波特率为115.2kbps，整体效率为68.52％。实验过程中，用所述实验装置在工程常用串行通信波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600bps范围内进行了实验，均可实现电能信号的并行传输。

本申请的上述实施例中，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，在双侧LC补偿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。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。