[发明专利]一种半双工通信的能量信号并行传输系统及参数设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种半双工通信的能量信号并行传输系统及参数设计方法。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)实现了电源到负载的无线供电，克服了直接电接触对设备的束缚，解决了移动电气设备(或特殊环境设备)的电能灵活、安全接入等问题。近年来，电场耦合无线电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer，ECPT)技术成为了无线电能传输领域新的研究热点，ECPT系统的优点包括：具有耦合电极简易轻薄并且形状不受限制；系统具有较好的柔韧性并且整体的成本低；拾取负载端电路的设计形式多样性较强；绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。国内外专家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模集成电路，无线充电器及电动汽车等诸多应用领域展开研究。

目前ECPT系统研究主要侧重于电能的无线传输，但在很多应用领域中不仅需要能量的无线传输，还需要实现能量与信号的并行传输。国内外学者已围绕WPT系统的能量信号并行传输展开研究，但主要集中于ICPT系统。由于ECPT系统采用耦合电容代替ICPT的耦合电感，而电容对高频信号的衰减效果远小于电感，所以ECPT系统的这一本质特性使得ECPT系统中信号传递效果更优。目前ICPT的能量信号并行传输研究中主要分为以下几类，(1)是以信号传递为主导，辅以能量传递，适用于mW级小功率设备；(2)是采用电力载波，通过信号与电能波形分离实现信号传递；(3)是以电压波形为载波通过ASK和FSK等方式传递信号。在ECPT领域的能量与信号并行传输的研究尚少，仅局限于信号传递主导的小功率的能量传输。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明首先提出一种半双工通信的能量信号并行传输系统，在不影响能量传递的前提下，实现了原副边信号半双工无线通信。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种半双工通信的能量信号并行传输系统，包括电源电路、原边功率变换电路、能量耦合机构、副边功率变换电路以及负载，所述能量耦合机构由两块发射极板和两块接收极板构成，其关键在于：在两块发射极板之间并联有原边通信电路，在两块接收极板之间并联有副边通信电路，所述原边通信电路设置有第一隔离电容C_g1和第一变压耦合器T_g1，所述第一隔离电容C_g1的一端连接在一块发射极板上，该第一隔离电容C_g1的另一端串接所述第一变压耦合器T_g1的一个绕组后连接在另一块发射极板上，所述第一变压耦合器T_g1的另一绕组作为原边信号收/发接口，所述副边通信电路设置有第二隔离电容C_g2和第二变压耦合器T_g2，所述第二隔离电容C_g2的一端连接在一块接收极板上，该第二隔离电容C_g2的另一端串接所述第二变压耦合器T_g2的一个绕组后连接在另一块接收极板上，所述第二变压耦合器T_g2的另一绕组作为副边信号收/发接口。

本方案在保留现有ECPT系统电路结构的基础上，通过在原副边耦合极板上增加一对通信电路来进行信号传输，由于ECPT系统是通过电容耦合实现无线电能传输的，而且高频信号载波通过电容时的衰减会远远小于信号通过耦合电感的衰减，因此在ECPT系统中实现能量信号并行传输，其效率明显高于在IPT系统中进行能量信号并行传输。同时，原副边的通信电路是直接连接在耦合极板上，并不用经过调谐电感，通信电路中的隔离电容可以设置为一个容值较小的电容，对于低频能量波形而言它极大的增加了两条信号支路的阻抗，有效防止主电路中的能量在信号支路中分流，对于高频信号而言，信号回路以外的支路阻抗较大，使信号功率更多地保留在信号回路中，实现了能量通道与信号通道的通频带分离，保证了能量信号并行传输。

作为进一步描述，所述电源电路为电流型电源电路，在原边功率变换电路的输出端连接有两组谐振网络，其中一组谐振网络是由电感L_p和电容C_p构成的并联谐振网络，另一组是由补偿电感L_s1，补偿电感L_s2和能量耦合机构构成的串联谐振网络，且两组谐振网络的谐振频率相同。