1.本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种强耦合式无线能量信号同步传输系统。
背景技术：2.无线电能传输(wireless power transfer,wpt)通过磁场、电场、激光及微波等媒介，实现电能的非电气接触传输。该技术可以有效地解决传统有线取电方式引起的设备灵活性受限和安全隐患的问题。目前，在电动汽车、消费电子产品、家用电器等应用领域，国内外的专家学者对该技术已展开了研究并获得了较多的理论成果。
3.在现有的无线电能传输系统中，系统闭环控制、状态监测、数据传输等功能都需要通过原、副边的通信来实现。现有的bluetooth，zigbee、wifi、rf等都可以用来实现无线电能传输系统的双向数据传输。但是，无线电能传输系统能量传输通道的强电磁噪声，以及这些技术本身存在的相对较大的传输延迟限制了其在无线电能传输系统中的应用。因此，利用已有感应耦合链路的同步无线能量、数据传输技术开始进入人们的视野。利用已有的能量传输耦合线圈的同步无线能量、数据传输技术不仅可以取消辅助线圈而且对能量传输影响也较小。
4.对于具有强耦合的应用场景来说，为了实现接收器设备的高级别集成，在些研究中通常采用串联-无补偿拓扑(简称sn补偿拓扑)，由于lcc补偿拓扑其低通滤波的优势，在一些研究中功率传输也采用了双侧lcc补偿拓扑。然而，lcc补偿拓扑的恒流输出特性不适用于电压源型负载。此外，中国专利202010897157.4也公开了一种基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输系统，在双侧lcc补偿拓扑的基础上，通过设置阻波网络来减少能量传输通道和信号传输通道的串扰，但是由于过多的电感元件的引入，容易产生交叉耦合，系统中存在高次谐波，而且信号对电感参数也非常敏感，在强耦合应用场景中不太适应。
技术实现要素：5.为了解决上述问题，本发明提出一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，在传统sn补偿拓扑的基础上，添加了复合lc-lc补偿拓扑，以滤除功率传输通道中的高次谐波，并在不影响sn拓扑恒压输出的原始特性的情况下抑制数据传输通道的电压应力。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
7.一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，其关键在于，包括直流电源、逆变器、原边补偿网络、原边耦合线圈、副边耦合线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和负载；在所述原边补偿网络上连接有原边信号收发模块，在所述副边补偿网络上连接有副边信号收发模块；
8.所述原边补偿网络包括电感l
f1
、电容c
f1
、电感l
f2
、电容c
f2
、电感l
pp
、和电容c
pc
；其中，电感l
f1
和电容c
f1
串联在所述逆变器的两个输出端口之间，电感l
f2
并联在电容c
f1
上，电
容c
f1
的上端经过所述电容c
f2
与所述原边耦合线圈的一端连接，所述原边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
pc
和电感l
pp
后与电容c
f1
的下端连接；
9.所述原边信号收发模块搭接在电感l
pp
和电容c
pc
构成的原边共享通道上；
10.所述副边补偿网络包括电感l
f3
、电容c
f3
、电感l
f4
、电容c
f4
、电感l
ss
、和电容c
sc
；其中，电感l
f3
和电容c
f3
串联在所述整流滤波电路的两个输入端口之间，电感l
f4
并联在电容c
f3
上，电容c
f3
的上端经过所述电容c
f4
与所述副边耦合线圈的一端连接，所述副边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
sc
和电感l
ss
后与电容c
f3
的下端连接；
11.所述副边信号收发模块搭接在电感l
ss
和电容c
sc
构成的副边共享通道上。
12.可选地，所述原边信号收发模块包括原边信号源、原边信号采样电阻、原边切换开关和电容c
pp
；
13.所述副边信号收发模块包括副边信号源、副边信号采样电阻、副边切换开关和电容c
ss
；
14.信号正向传输时，所述原边信号源的一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端，所述原边信号源的另一端接入所述电容c
pc
的后端；所述副边信号采样电阻的一端与所述电容c
sc
的前端连接，所述副边信号采样电阻的另一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端；
15.信号反向传输时，所述副边信号源的一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端，所述副边信号源的另一端接入所述电容c
sc
的前端；所述原边信号采样电阻的一端与所述电容c
pc
的后端连接，所述原边信号采样电阻的另一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端。
16.可选地，能量传输所采用的功率载波频率为fr，信号传输所采用数据载波频率为f1，其中f1为mhz级，fr为khz级。
17.可选地，系统中各个元器件参数满足：
[0018][0019]
其中：ωr表示能量传输所采用的功率载波角频率，ω1表示信号传输所采用的数据载波角频率。
[0020]
可选地，所述原边切换开关和所述副边切换开关采用单刀双掷开关。
[0021]
可选地，所述逆变器为电压型全桥逆变器。
[0022]
可选地，所述整流滤波电路包括四个二极管和一个滤波电容。
[0023]
本发明的效果是：
[0024]
本发明提出的一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，在传统sn补偿拓扑的基础上，添加了复合lc-lc补偿拓扑，利用lc-lc补偿拓扑的带通滤波特性，滤除功率传输通道中的高次谐波，避免了功率传输通道的高次谐波在信号传输通道上产生电压尖峰，具有恒压输入到恒压输出的特性，信号传输通道在一定的区间内对耦合机构电感参数不敏感，大
大提高了对耦合机构的兼容适应性，降低参数设计的复杂度。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0026]
图1为本发明具体实施例中的系统电路原理图；
[0027]
图2为图1中能量传输通道的等效电路图；
[0028]
图3为图1中信号传输通道的等效电路图；
[0029]
图4为r2的电压随lpp和ls变化的三维曲线图；
[0030]
图5为sn能量传输拓扑能量通道对数据传输的干扰效果图；
[0031]
图6为lc-lc复合补偿拓扑能量通道对数据传输的干扰效果图。
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0033]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0034]
如图1所示，本实施例提供了一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，包括直流电源e
dc
、逆变器、原边补偿网络、原边耦合线圈l
p
、副边耦合线圈ls、副边补偿网络、整流滤波电路和负载r
l
；在所述原边补偿网络上连接有原边信号收发模块，在所述副边补偿网络上连接有副边信号收发模块；实施是，逆变器采用电压型全桥逆变器，整流滤波电路包括四个二极管(d1～d4)和一个滤波电容cd[0035]
从图1可以看出，原边补偿网络包括电感l
f1
、电容c
f1
、电感l
f2
、电容c
f2
、电感l
pp
和电容c
pc
；其中，电感l
f1
和电容c
f1
串联在所述逆变器的两个输出端口之间，电感l
f2
并联在电容c
f1
上，电容c
f1
的上端经过所述电容c
f2
与所述原边耦合线圈的一端连接，所述原边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
pc
和电感l
pp
后与电容c
f1
的下端连接；
[0036]
所述原边信号收发模块搭接在电感l
pp
和电容c
pc
构成的原边共享通道上；
[0037]
所述副边补偿网络包括电感l
f3
、电容c
f3
、电感l
f4
、电容c
f4
、电感l
ss
、和电容c
sc
；其中，电感l
f3
和电容c
f3
串联在所述整流滤波电路的两个输入端口之间，电感l
f4
并联在电容c
f3
上，电容c
f3
的上端经过所述电容c
f4
与所述副边耦合线圈的一端连接，所述副边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
sc
和电感l
ss
后与电容c
f3
的下端连接；
[0038]
所述副边信号收发模块搭接在电感l
ss
和电容c
sc
构成的副边共享通道上。
[0039]
具体而言，所述原边信号收发模块包括原边信号源u1、原边信号采样电阻r1、原边切换开关spdt1和电容c
pp
；
[0040]
所述副边信号收发模块包括副边信号源u2、副边信号采样电阻r2、副边切换开关spdt2和电容c
ss
；
[0041]
信号正向传输时，所述原边信号源的一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端，所述原边信号源的另一端接入所述电容c
pc
的后端；所述副边信号采
样电阻的一端与所述电容c
sc
的前端连接，所述副边信号采样电阻的另一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端；
[0042]
信号反向传输时，所述副边信号源的一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端，所述副边信号源的另一端接入所述电容c
sc
的前端；所述原边信号采样电阻的一端与所述电容c
pc
的后端连接，所述原边信号采样电阻的另一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端。
[0043]
具体实施时，为了避免能量通道和信号通道之间的串扰从而提升信号传输速率，能量传输所采用的功率载波频率为fr，信号传输所采用数据载波频率为f1，其中f1为mhz级，fr为khz级。
[0044]
系统中各个元器件参数满足：
[0045][0046]
其中：ωr表示能量传输所采用的功率载波角频率，ω1表示信号传输所采用的数据载波角频率。
[0047]
原边切换开关和副边切换开关采用单刀双掷开关，通过改变开关的投切状态从而改变数据的传输方向。
[0048]
结合上述配置，当电压型全桥逆变器工作时，信号源为短路，数据传输通道对功率波的阻抗非常大，可以将数据传输通道视为开路，c
pc
和c
sc
用于补偿功率载波频率下l
pp
和l
ss
的电感，补偿后c
pc
、l
pp
、c
sc
和l
ss
对能量载波呈短路特性，能量通道的等效电路图如图2所示。
[0049]
当原边的数据注入电路单独工作时，电压型全桥逆变器起短路作用，由于数据载波的频率远高于能量载波，能量通道补偿电容对数据载波而言，可视作短路，因此，数据传输通道的等效电路如图3所示。
[0050]
可以看出，针对强耦合无线电能传输应用场景，本发明是在sn补偿拓扑的基础上，添加了lc-lc复合补偿拓扑，利用lc-lc复合补偿拓扑的恒压-恒压以及带通滤波特性，在补改变原有系统输入输出特性的前提下，显著减小了数据传输通道的电压应力，提高了数据传输的信噪比。所提出的数据传输通道，在一定区间范围内，对耦合线圈参数不敏感，大大提高了该技术对耦合机构的兼容适应性，降低参数设计的复杂度。
[0051]
具体实施时，为了实现能量的高效传输，针对提出的lc-lc复合补偿拓扑，还需要满足以下等式：
[0052][0053]
为了进一步验证上述系统的有效性，按照表1所示的参数进行配置，通过仿真得到r2的电压随lpp和ls变化的三维曲线图，如图4所示。
[0054]
表1：仿真实验参数表
[0055][0056]
由图4可知，当线圈自感变化时，数据传输拾取电压在一定范围内基本不变，对线圈参数不敏感，大大提高了该技术对耦合机构的兼容适应性，降低参数设计的复杂度。
[0057]
此外，在能量传输通道中如果采用传统sn补偿拓扑，得到能量传输对数据传输的干扰如图5所示。由图5可知，能量载波在数据传输通道上产生了电压尖峰，存在一定的感染。
[0058]
如果采用本发明提出的lc-lc复合补偿拓扑的能量信号同步传输系统，能量传输通道在数据传输通道的干扰如图6所示。
[0059]
对比图5和图6可知，采用本发明提出的lc-lc复合补偿拓扑，能量通道对数据传输通道的干扰显著减小，有效减小了数据传输通道的电压应力。
[0060]
此外，本发明提出的系统还取消了阻波网络，复用了能量补偿网络电容，实现数据载波的传输，数据通道在一定的范围内对耦合机构电感参数不敏感。
[0061]
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
技术特征：1.一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，包括直流电源、逆变器、原边补偿网络、原边耦合线圈、副边耦合线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和负载；在所述原边补偿网络上连接有原边信号收发模块，在所述副边补偿网络上连接有副边信号收发模块；所述原边补偿网络包括电感l
f1
、电容c
f1
、电感l
f2
、电容c
f2
、电感l
pp
、和电容c
pc
；其中，电感l
f1
和电容c
f1
串联在所述逆变器的两个输出端口之间，电感l
f2
并联在电容c
f1
上，电容c
f1
的上端经过所述电容c
f2
与所述原边耦合线圈的一端连接，所述原边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
pc
和电感l
pp
后与电容c
f1
的下端连接；所述原边信号收发模块搭接在电感l
pp
和电容c
pc
构成的原边共享通道上；所述副边补偿网络包括电感l
f3
、电容c
f3
、电感l
f4
、电容c
f4
、电感l
ss
、和电容c
sc
；其中，电感l
f3
和电容c
f3
串联在所述整流滤波电路的两个输入端口之间，电感l
f4
并联在电容c
f3
上，电容c
f3
的上端经过所述电容c
f4
与所述副边耦合线圈的一端连接，所述副边耦合线圈的另一端依次经过所述电容c
sc
和电感l
ss
后与电容c
f3
的下端连接；所述副边信号收发模块搭接在电感l
ss
和电容c
sc
构成的副边共享通道上。2.根据权利要求1所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，所述原边信号收发模块包括原边信号源、原边信号采样电阻、原边切换开关和电容c
pp
；所述副边信号收发模块包括副边信号源、副边信号采样电阻、副边切换开关和电容c
ss
；信号正向传输时，所述原边信号源的一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端，所述原边信号源的另一端接入所述电容c
pc
的后端；所述副边信号采样电阻的一端与所述电容c
sc
的前端连接，所述副边信号采样电阻的另一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端；信号反向传输时，所述副边信号源的一端通过所述副边切换开关和所述电容c
ss
接入所述电感l
ss
的后端，所述副边信号源的另一端接入所述电容c
sc
的前端；所述原边信号采样电阻的一端与所述电容c
pc
的后端连接，所述原边信号采样电阻的另一端通过所述原边切换开关和所述电容c
pp
接入所述电感l
pp
的前端。3.根据权利要求2所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，能量传输所采用的功率载波频率为f
r
，信号传输所采用数据载波频率为f1，其中f1为mhz级，f
r
为khz级。4.根据权利要求3所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，系统中各个元器件参数满足：其中：ω
r
表示能量传输所采用的功率载波角频率，ω1表示信号传输所采用的数据载波角频率。5.根据权利要求2所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，所述原边
切换开关和所述副边切换开关采用单刀双掷开关。6.根据权利要求1所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，所述逆变器为电压型全桥逆变器。7.根据权利要求1所述的强耦合式无线能量信号同步传输系统，其特征在于，所述整流滤波电路包括四个二极管和一个滤波电容。
技术总结本发明提供一种强耦合式无线能量信号同步传输系统，包括直流电源、逆变器、原边补偿网络、原边耦合线圈、副边耦合线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和负载；在原边补偿网络上连接有原边信号收发模块，在副边补偿网络上连接有副边信号收发模块；本发明在传统SN补偿拓扑的基础上，添加了复合LC-LC补偿拓扑，利用LC-LC补偿拓扑的带通滤波特性，滤除功率传输通道中的高次谐波，避免了功率传输通道的高次谐波在信号传输通道上产生电压尖峰，具有恒压输入到恒压输出的特性，信号传输通道在一定的区间内对耦合机构电感参数不敏感，大大提高了对耦合机构的兼容适应性，降低参数设计的复杂度。降低参数设计的复杂度。降低参数设计的复杂度。
技术研发人员：龚文兰 范元双 孙跃 肖静 吴晓锐 李小飞 韩帅 吴宁 莫宇鸿 陈绍南 陈卫东 郭敏 郭小璇 唐春森 王智慧
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
