一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法，该系统包括高频逆变电路、电能发射电路、电能接收电路、信号发射电路和信号接收电路；其中高频逆变电路把直流电压转换成高频交流方波，电能发射电路和信号发射电路以并联的形式接到高频逆变电路输出端，从电压方波中分别选出基波和n次谐波；电能接收电路和信号接收电路经由复用开关控制连接起来。通过改变信号调制开关的通断来实现信号的正反向传输，并在对应侧实现信号解调，通过改变电能接收电路和信号接收电路的连接方式能够实现电能信号同步传输和负载识别两种功能的复用。该系统信号传输速率高，功率传输稳定且负载识别准确度较高。

A Time Division Multiplexing System for Synchronized Transmission and Load Recognition of Radio Energy Signals and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法
本专利技术涉及负载识别和无线电能信号同步传输领域，尤其是一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法。
技术介绍
利用空间中的介质实现能量以非接触的方式从电源端传输到负载端的技术称为无线电能传输(WirelessPowerTransfer，WPT)技术。相比于传统的有线供电方式，无线电能传输技术能够有效避免因为插头的多次插拔带来的磨损以及插拔过程中电火花带来的危险，在煤矿、水下等特种场合，无线电能传输技术的优点更为明显。随着WPT技术应用领域的不断扩展，能对负载有普遍适应性的WPT系统受到学者们的广泛关注。负载大小和性质的不同使得系统补偿网络有各种各样的形式，从而对不同拓扑的功率控制策略也具有多样性。在很多情况下，系统负载的电气参数或运行状态发生微小的改变，都会导致系统的性能降低，严重时甚至会使系统崩溃，因此需要对负载进行在线识别，并且能够将负载信息实时提供给系统原边，再根据负载变化情况提供合理的控制策略来抑制负载变化对系统造成的不良影响。因此要实现上述功能，负载识别技术和无线电能信号同步传输(WirelessPowerandSignalTransmission，WPST)技术二者要兼而有之。目前负载识别技术主要有：1、基于能量注入式和能量自由震荡方式计算反射阻抗。这种方法是通过控制逆变器开关管的工作状态，在能量注入一定开关周期后改变开关状态，使得能量发射线圈和补偿电容组成一个回路，电路以自由震荡的方式工作，能量呈现规律性衰减；检测能量衰减时发射回路电流峰值及衰减周期，结合LC回路自由振荡过程，能够计算出能量发射端等效反射阻抗的实部，再通过反射阻抗模型可以计算出负载大小；2、基于反射阻抗的负载识别技术。通过检测原边谐振网络输入电压、回路电压以及阻抗角，建立电路原理方程，求得反射阻抗。对WPT系统而言，在设计和计算系统参数时，由于系统的负载端是一个整体的谐振补偿网络，从系统原边能量发射端可以得到系统总阻抗，这个阻抗称为拾取端到发射端的反射阻抗。反射阻抗的大小和性质会随着拾取端负载的变化而变化，并导致原边电流、电压等参数发生变化，通过对各部分电气参数的检测和计算，得到当前负载的大小和性质，同时采用相应的控制手段对系统的能量输出状态进行控制和调整，以满足负载的需求，使系统处于良好的工作状态。而目前无线电能信号同步传输技术主要有：1、双通道式电能与信号同步传输技术。即电能与信号分别在不同的通道中传输，在系统原副边设置两组线圈，分别传输能量和信号，这种结构会使得能量线圈和信号线圈间存在电磁干扰；2、单通道式电能与信号同步传输技术。该技术又可以分为时分复用和频分复用两种方法，时分复用技术是通过对系统原边对能量载波进行数字调制，从而将数字信号加载到系统中，其中数字调制方法有二进制移幅键控(2ASK)、二进制移频键控(2FSK)和二进制移相键控(2PSK)；频分复用是指由于能量作为信号的载波，因此在进行数字调制时会对能量有较大的影响。随着对无线电能传输技术研究的不断深入，负载识别技术无疑成为研究学者们的重点关注对象。现有的负载识别技术或是离线识别方式，或是识别完成后利用射频装置将负载信息传递给原边，而前者不能实时监控负载信息做出合理的调整，后者因为射频通信存在较高的时间延迟，不利于系统的控制，因此将无线能量信号同步传输技术和负载识别技术结合起来会成为负载在线识别的一种有效手段。
技术实现思路
专利技术目的：为了能够将负载识别技术和能量信号同步传输技术结合以实现负载在线实时识别，本专利技术提出一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统及其控制方法，能够在线实现负载识别且在识别完成后将负载信息发送给系统原边。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提出以下技术方案：一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统，包括：高频逆变电路1、原边电能发射电路2、原边信号传输电路3、副边电能接收电路4和副边信号传输电路5；高频逆变电路1将直流电源电压转换成高频交流方波；原边电能发射电路2和原边信号传输电路3并联在高频逆变电路1的输出端，原边电能发射电路2从高频交流方波中提取出用于传输电能的基波分量，并通过电磁耦合将基波分量传输给副边电能接收电路4，副边电能接收电路4的输出端连接负载；原边信号传输电路3从高频交流方波中提取出用于传输信号的n次谐波分量，并通过电磁耦合将n次谐波分量传输给副边信号传输电路5；副边电能接收电路4和副边信号传输电路5经复用开关S3连接在一起，当复用开关S3闭合时，副边电能接收电路4和副边信号传输电路5并联，此时实现电能信号同步传输功能；S3打开时，电能接收电路4和副边信号传输电路5串联，此时实现负载识别功能；所述实现电能信号同步传输包括从原边到副边的正向传输和从副边到原边的反向传输；当进行电能信号正向传输时，原边信号传输电路3接收原边数字信号，并将原边数字信号调制到n次谐波分量上传输给副边信号传输电路5；当进行电能信号反向传输时，副边信号传输电路5接收副边数字信号，并将副边数字信号调制到n次谐波分量上传输给原边信号传输电路3。进一步的，所述能量发射电路2包括谐振电感La1、谐振电容Cp11和Cp12以及能量发射线圈Lp1，La1、Cp11、Cp12、Lp1组成LCCL基波选频电路；所述原边信号传输电路3包括谐振电感La3、谐振电容Cp31、Cp32、发射线圈Lp3、双向开关管Sp1、调制电阻Rm11、缓冲电阻Rm12、信号反向解调电路；控制信号开关管Sp1与调制电阻Rm11串联后再与Rm12并联，形成信号正向调制电路；La3、Lp3、Cp31、Cp32组成n次谐波选频电路，其中，La3、Lp3、Cp32串联，Cp31一端连接La3和Lp3的连接点，另一端与Cp32的自由端相连；n次谐波选频电路串联信号正向调制电路后再并联到高频逆变电路1的输出端；信号反向解调电路并联在Cp32的两端，通过检测Cp32两端的电压将副边传递向原边的信号解调出来；副边电能接收电路4包括：能量接收线圈Ls1、谐振电容Cs1、负载电阻RL和复用开关S3Ls1一端通过Cs1与RL连接，另一端通过S3与RL连接；副边信号传输电路5包括：接收线圈Ls3、串联谐振电容Cs3、调制电阻Rm21、缓冲电阻Rm22、控制信号开关管Ss1、信号正向解调电路；Ss1与Rm21串联后再与Rm22并联，形成信号反向调制电路；信号反向调制电路一端连接S3与RL的连接点，另一端依次通过Cs3、Ls3与Ls1连接；信号正向解调电路并联在Cs3的两端，通过检测Cs3两端的电压将原边传递向副边的信号解调出来。进一步的，所述控制信号开关管Sp1和Ss1结构相同，均是由一个MOS管及其寄生体二极管构成的交流通路。进一步的，所述高频逆变电路1为四个金属-氧化物半导体场效应晶体管构成的全桥式逆变电路。本专利技术还提出一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统的控制方法，包括步骤：a.正常工作时，复用开关S3闭合，此时副边电能接收电路4和副边信号传输电路5并联，原边信号传输电路3均不会影响电能正常传输；b.当系统需要进行负载识别时，首先控制原边信号传输电路3中的信号正向调制电路发送一特定启动信号，在副边信号传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统，其特征在于，包括：高频逆变电路(1)、原边电能发射电路(2)、原边信号传输电路(3)、副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)；高频逆变电路(1)将直流电源电压转换成高频交流方波；原边电能发射电路(2)和原边信号传输电路(3)并联在高频逆变电路(1)的输出端，原边电能发射电路(2)从高频交流方波中提取出用于传输电能的基波分量，并通过电磁耦合将基波分量传输给副边电能接收电路(4)，副边电能接收电路(4)的输出端连接负载；原边信号传输电路(3)从高频交流方波中提取出用于传输信号的n次谐波分量，并通过电磁耦合将n次谐波分量传输给副边信号传输电路(5)；副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)经复用开关S3连接在一起，当复用开关S3闭合时，副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)并联，此时实现电能信号同步传输功能；S3打开时，电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)串联，此时实现负载识别功能；所述实现电能信号同步传输包括从原边到副边的正向传输和从副边到原边的反向传输；当进行电能信号正向传输时，原边信号传输电路(3)接收原边数字信号，并将原边数字信号调制到n次谐波分量上传输给副边信号传输电路(5)；当进行电能信号反向传输时，副边信号传输电路(5)接收副边数字信号，并将副边数字信号调制到n次谐波分量上传输给原边信号传输电路(3)。...

【技术特征摘要】
1.一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统，其特征在于，包括：高频逆变电路(1)、原边电能发射电路(2)、原边信号传输电路(3)、副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)；高频逆变电路(1)将直流电源电压转换成高频交流方波；原边电能发射电路(2)和原边信号传输电路(3)并联在高频逆变电路(1)的输出端，原边电能发射电路(2)从高频交流方波中提取出用于传输电能的基波分量，并通过电磁耦合将基波分量传输给副边电能接收电路(4)，副边电能接收电路(4)的输出端连接负载；原边信号传输电路(3)从高频交流方波中提取出用于传输信号的n次谐波分量，并通过电磁耦合将n次谐波分量传输给副边信号传输电路(5)；副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)经复用开关S3连接在一起，当复用开关S3闭合时，副边电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)并联，此时实现电能信号同步传输功能；S3打开时，电能接收电路(4)和副边信号传输电路(5)串联，此时实现负载识别功能；所述实现电能信号同步传输包括从原边到副边的正向传输和从副边到原边的反向传输；当进行电能信号正向传输时，原边信号传输电路(3)接收原边数字信号，并将原边数字信号调制到n次谐波分量上传输给副边信号传输电路(5)；当进行电能信号反向传输时，副边信号传输电路(5)接收副边数字信号，并将副边数字信号调制到n次谐波分量上传输给原边信号传输电路(3)。2.根据权利要求1所述的一种无线电能信号同步传输与负载识别时分复用系统，其特征在于，所述能量发射电路(2)包括谐振电感La1、谐振电容Cp11和Cp12以及能量发射线圈Lp1，La1、Cp11、Cp12、Lp1组成LCCL基波选频电路；所述原边信号传输电路(3)包括谐振电感La3、谐振电容Cp31、Cp32、发射线圈Lp3、双向开关管Sp1、调制电阻Rm11、缓冲电阻Rmi2、信号反向解调电路；控制信号开关管Sp1与调制电阻Rm11串联后再与Rm12并联，形成信号正向调制电路；La3、Lp3、Cp31、Cp32组成n次谐波选频电路，其中，La3、Lp3、Cp32串联，Cp31一端连接La3和Lp3的连接点，另一端与Cp32的自由端相连；n次谐波选频电路串联信号正向调制电路后再并联到高频逆变电路(1)的输出端；信号反向解调电路并联在Cp32的两端，通过检测Cp32两端的电压将副边传递向原边的信号解调出来；副边电能接收电路(4)包括：能量接收线圈Ls1、谐振电容Cs1、负载电阻RL和复用开关S3；Ls1一端通过Cs1与RL连接，另一端通过S3与RL连接；副边信号传输电路(5)包括：接收线圈Ls3、串联谐振电容Cs3、调制电...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晨阳，贾仁海，杨颖，吴镇，孙琪琪，殷家铖，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32