全雙工通信的能量信號并行傳輸系統(tǒng)及同端干擾抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及一種全雙工通信的能量信號并行傳輸系 統(tǒng)及同端干擾抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸技術(shù)（WirelessPowerTransfer，WPT)實現(xiàn)了電源到負(fù)載的無線 供電，克服了直接電接觸對設(shè)備的束縛，解決了移動電氣設(shè)備（或特殊環(huán)境設(shè)備）的電能 靈活、安全接入等問題。近年來，電場親合無線電能傳輸（Electric-fieldCoupledPower Transfer，ECPT)技術(shù)成為了無線電能傳輸領(lǐng)域新的研究熱點，ECPT系統(tǒng)的優(yōu)點包括：具有 耦合電極簡易輕薄并且形狀不受限制；系統(tǒng)具有較好的柔韌性并且整體的成本低；拾取負(fù) 載端電路的設(shè)計形式多樣性較強(qiáng)；絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環(huán)境的電磁干 擾很?。浑妶鲴詈蠙C(jī)構(gòu)之間或周圍存在金屬導(dǎo)體時，不會引起導(dǎo)體產(chǎn)生渦流損耗。國內(nèi)外專 家學(xué)者圍繞移動機(jī)器人，生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備，3D絕緣硅超大規(guī)模集成電路，無線充電器及電 動汽車等諸多應(yīng)用領(lǐng)域展開研究。
[0003] 目前ECPT系統(tǒng)研究主要側(cè)重于電能的無線傳輸，但在很多應(yīng)用領(lǐng)域中不僅需要 能量的無線傳輸，還需要實現(xiàn)能量與信號的并行傳輸。國內(nèi)外學(xué)者已圍繞WPT系統(tǒng)的能量 信號并行傳輸展開研究，但主要集中于ICPT系統(tǒng)。由于ECPT系統(tǒng)采用耦合電容代替ICPT 的耦合電感，而電容對高頻信號的衰減效果遠(yuǎn)小于電感，所以ECPT系統(tǒng)的這一本質(zhì)特性使 得ECPT系統(tǒng)中信號傳遞效果更優(yōu)。目前ICPT的能量信號并行傳輸研究中主要分為以下幾 類，（1)是以信號傳遞為主導(dǎo)，輔以能量傳遞，適用于mW級小功率設(shè)備；（2)是采用電力載 波，通過信號與電能波形分離實現(xiàn)信號傳遞；（3)是以電壓波形為載波通過ASK和FSK等方 式傳遞信號。在ECPT領(lǐng)域的能量與信號并行傳輸?shù)难芯可猩?，僅局限于信號傳遞主導(dǎo)的小 功率的能量傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明首先提出一種全雙工通信的能量信號并行傳輸系 統(tǒng)，在不影響能量傳遞的前提下，實現(xiàn)了原副邊信號全雙工無線通信。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：
[0006] 全雙工通信的能量信號并行傳輸系統(tǒng)，包括電源電路、原邊功率變換電路、能量耦 合機(jī)構(gòu)、副本功率變換電路以及負(fù)載，所述能量耦合機(jī)構(gòu)由兩塊發(fā)射極板和兩塊接收極板 構(gòu)成，其關(guān)鍵在于：在兩塊發(fā)射極板之間并聯(lián)有原邊通信電路，在兩塊接收極板之間并聯(lián)有 副邊通?目電路；
[0007] 所述原邊通信電路設(shè)置有第一隔離電容Cgl、第一變壓耦合器Tgl和第三變壓耦合 器Tg3，所述第一隔離電容Cgl的一端連接在一塊發(fā)射極板上，該第一隔離電容Cgl的另一端 依次串接所述第一變壓耦合器Tgl的一個繞組和第三變壓耦合器Tg3的一個繞組后連接在另 一塊發(fā)射極板上，所述第一變壓耦合器Tgl的另一繞組作為原邊信號發(fā)送接口，所述第三變 壓耦合器Tg3的另一繞組作為原邊信號接收接口；
[0008] 所述副邊通信電路設(shè)置有第二隔離電容Cg2、第二變壓耦合器Tg2和第四變壓耦合 器Tg4，所述第二隔離電容Cg2的一端連接在一塊接收極板上，該第二隔離電容Cg2的另一端 依次串接所述第二變壓耦合器Tg2的一個繞組和第四變壓耦合器Tg4的一個繞組后連接在另 一塊接收極板上，所述第二變壓耦合器Tg2的另一繞組作為副邊信號發(fā)送接口，所述第四變 壓耦合器Tg4的另一繞組作為副邊信號接收接口。
[0009] 本方案在保留現(xiàn)有ECPT系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在原副邊耦合極板上增加 一對通信電路來進(jìn)行信號傳輸，由于ECPT系統(tǒng)是通過電容耦合實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)模?高頻信號載波通過電容時的衰減會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號通過耦合電感的衰減，因此在ECPT系統(tǒng) 中實現(xiàn)能量信號并行傳輸，其效率明顯高于在IPT系統(tǒng)中進(jìn)行能量信號并行傳輸。同時，原 副邊的通信電路是直接連接在耦合極板上，并不用經(jīng)過調(diào)諧電感，通信電路中的隔離電容 可以設(shè)置為一個容值較小的電容，對于低頻能量波形而言它極大的增加了兩條信號支路的 阻抗，有效防止主電路中的能量在信號支路中分流，對于高頻信號而言，信號回路以為的支 路阻抗較大，使信號功率更多地保留在信號回路中，實現(xiàn)了能量通道與信號通道的通頻帶 分離，保證了能量信號并行傳輸，通過在原邊通信電路和副邊通信電路中同時設(shè)置信號發(fā) 送接口和信號接收接口，在原邊向副邊傳輸信號的同時副邊也可以向原邊傳輸信號，實現(xiàn) 全雙工通信。
[0010] 作為進(jìn)一步描述，所述電源電路為電流型電源電路，在原邊功率變換電路的輸出 端連接有兩組諧振網(wǎng)絡(luò)，其中一組諧振網(wǎng)絡(luò)是由電感Lp和電容Cp構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，另 一組是由補償電感Lsl、補償電感Ls2和能量耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，且兩組諧振網(wǎng)絡(luò) 的諧振頻率相同。
[0011] 為了進(jìn)一步滿足能量信號并行傳輸?shù)男枰?，在上述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述 原邊通信電路和副邊通信電路中的隔離電容的容值、耦合變壓器等效電感值以及所加載的 信號載波與電能傳輸系統(tǒng)諧振頻率比滿足以下約束條件：
[0012]
[0013]其中，usll為原邊輸入信號幅值，usl2為副邊輸入信號幅值，up為電能傳輸系統(tǒng)輸入 電壓幅值，G_ss(Lg，Cg，λ)為原邊信號發(fā)送接口到副邊信號接收接口之間的增益函數(shù)，也等 于副邊信號發(fā)送接口到原邊信號接收接口之間的增益函數(shù)，G__y(Lg，Cg，λ)為能量輸入 端到原邊信號接收接口之間的增益函數(shù)，Gs_ndalT(Lg，Cg，λ)為能量輸入端到副邊信號接收 接口之間的增益函數(shù)，(Lg，Cg)為能量輸入端到負(fù)載之間的增益函數(shù)，k表示拾取信號幅 值與干擾信號幅值的最小倍數(shù)關(guān)系；為原邊信號發(fā)送接口到副邊信號接收接口之間 的最小增益值，且等于副邊信號發(fā)送接口到原邊信號接收接口之間的增益；（?^為能量輸 入端到負(fù)載之間的最小增益值，λ為信號信號載波與電能傳輸系統(tǒng)諧振頻率比，為電能 傳輸系統(tǒng)諧振角頻率，Lg表示第一變壓耦合器Tgl和第三變壓耦合器Tg3串接后的等效電感 值，對應(yīng)也等于第二變壓耦合器Tg2和第四變壓耦合器Tg4串接后的等效電感值，Cg=Cgl = Cg2表示原邊通信電路和副邊通信電路中的隔離電容的容值。
[0014] 基于上述約束條件對原副邊通信電路中的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可以有效保證信號 傳輸質(zhì)量，克服能量傳輸與信號傳輸之間的相互影響，主要理由在于：（1)信號波形的幅值 大于能量對信號支路的干擾電壓幅值的kj咅，從而確?？稍谀芰坎ㄐ沃袑π盘柌ㄐ芜M(jìn)行識 別；（2)輸入信號到拾取信號的幅值增益需大于閾值，從而確保ASK信號解調(diào)時0、1信 號的區(qū)分；(3)原邊并聯(lián)諧振電壓到負(fù)載電壓的增益大于閾值C，從而克服信號支路的增 加對能量傳遞的影響；(4)需將信號工作頻率與支路諧振頻率點保持一致，從而降低信號 在回路中的衰減。只要通信電路增加的元件按照上述約束條件進(jìn)行設(shè)定，則可以滿足能量 和信號的并行傳輸。
[0015] 結(jié)合具體的應(yīng)用場景，可以設(shè)定系統(tǒng)中拾取信號幅值與干擾信號幅值的最小倍數(shù) 關(guān)系1= 0. 3,原邊信號發(fā)送接口到副邊信號接收接口之間的最小增益值，能量 輸入端到負(fù)載之間的最小增益值G'=0.95。 <J：UZ
[0016] 在上述電路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出一種全雙工通信的能量信號并行傳輸系 統(tǒng)的同端干擾抑制方法，其關(guān)鍵在于：在原邊通信電路和副邊通信電路中分別設(shè)置同端干 擾預(yù)測模塊，所述同端干擾預(yù)測模塊按照以下等式計算同端干擾大小：
[0017]
[0018] 其中九⑷表示原邊發(fā)送信號在原邊信號接收接口上的干擾，心40)表示副邊發(fā) 送信號在副邊信號接收接口上的干擾是通過求解狀態(tài)方程得到的，usl (η)是狀態(tài)方 程中的輸入變量，usi(n) =usil(n)表示輸入原邊發(fā)送信號，usi(n) =usi2(n)表示輸入副邊 發(fā)送信號，其狀態(tài)方程為：
[0019]
[0020] 所述狀態(tài)方程中，選擇向量Yu= [0 0 1 0 0 0 0] τ;
[0021] 狀態(tài)向量x*(n) =[i(n)i2(n)i3(n)u2(n)u3(n)]T;
[0022] 矩陣A* =ΛΤΦ寸Λ表示A*的逆矩陣；At為采樣間隔時間，I為單位矩 陣，矩陣B* =ΛΤΦ乂；
[0023] 矩陣Α=
Λ策示矩陣Λ的轉(zhuǎn)置；
[0024] 矩陣'
& 1表示Φ的逆矩陣；
[0025] 在矩陣
[0026] Lg表示第一變壓耦合器Tgl和第三變壓耦合器Tg3串接后的等效電感值，對應(yīng)也等 于第二變壓耦合器Tg2和第四變壓耦合器Tg4串接后的等效電感值，Mg表示第一變壓耦合器 Tgl和第三變壓耦合器Tg3之間的互感，對應(yīng)也等于第二變壓耦合器Tg2和第四變壓耦合器Tg4 之間的互感，Cg=Cgl=Cg2表示原邊通信電路和副邊通信電路中的隔離電容的容值；Rg表 示耦合變壓器兩側(cè)支路的等效電阻值，信號角頻率，Lsl為補償電感Lsl的自感值、Ls2 為補償電感Ls2的自感值；
[0027] 當(dāng)同端干擾預(yù)測模塊計算出同端干擾大小后，原邊通信電路將原邊信號接收接口 所接收的信號減去后作為原邊接收信號輸出；副邊通信電路將副邊信號接收接口所 接收的信號減去七4(?；)后作為副邊接收信號輸出。
[0028] 利用上述方法對同端