CN111987813B - 基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线功率传输技术领域，具体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***，包括功率传输通道和信号传输通道；信号传输通道设有信号原边串联谐振网络、信号副边串联谐振网络和原边正向并联谐振网络、原边反向并联谐振网络、副边正向并联谐振网络、副边反向并联谐振网络。本发明用串联网络(信号原边串联谐振网络、信号副边串联谐振网络)传输两个数据载波，信号载波正向传输和反向传输可以同时进行，实现了同步全双工通信；用并联网络(原边正向并联谐振网络、原边反向并联谐振网络、副边正向并联谐振网络、副边反向并联谐振网络)在传输一个载波的同时阻塞另一个载波，保证了数据的传输质量。

Description

基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***

技术领域

本发明涉及无线功率传输技术领域，尤其涉及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***。

背景技术

无线功率传输(WPT)技术是指通过非电气接触的方式传输功率的方法，能够实现相对远距离的大功率传输。近年来引起了广泛的关注，在电动汽车充电、旋转机构供电、生物医学植入物、消费电子和家用电器等领域得到了广泛的应用。

在实际应用中，为了提高***的性能和稳定性，常常需要一次侧和二次侧的实时通信。WPT***通常采用蓝牙、ZigBee、Wi-Fi和射频(RF)等技术来实现双方的通信，但这些技术的发射端和接收端的配对比较复杂。此外，相对较高的成本和较长的传输延迟激励人们研究基于近场感应耦合的并行通信和功率传输。

利用WPT***的耦合机构实现同步通信的多种技术已经被研究出来。其中，利用WPT***的功率传输通道实现数据传输的方法，不仅可以减少数据传输电缆或无线信号发射器的数量，而且可以发挥WPT***灵活性的优势。尤其对于操作空间有限的机器人旋转关节和植入式医疗器械，具有特殊的意义和价值。主要方法包括：1)通过调制功率载波来传输数据；2)通过调制单个数据载波来传输数据。然而，当数据传输时，采用第一类方法的WPT***的功率传输将受到很大的影响。另外，这两种方法只能实现半双工数据传输。

发明内容

本发明提供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***，解决的技术问题在于：现有利用WPT***的功率传输通道实现数据传输的方法，只能实现半双工数据传输，无法实现全双工数据传输。

为解决以上技术问题，本发明提供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***，包括功率传输通道和信号传输通道；

所述功率传输通道包括按照能量传输方向顺序连接的直流输入电路、高频逆变电路、功率原边谐振网络、耦合电路、功率副边谐振网络、整流器和负载；

所述耦合电路包括分别连接所述功率原边谐振网络和所述功率副边谐振网络的原边线圈和副边线圈；

所述信号传输通道包括串接在所述原边线圈的一端的信号原边串联谐振电容，以及串接在所述副边线圈的一端的信号副边串联谐振电容，所述原边线圈与所述信号原边串联谐振电容组成信号原边串联谐振网络，所述副边线圈与所述信号副边串联谐振电容组成信号副边串联谐振网络；

所述信号传输通道还包括与所述信号原边串联谐振网络并联的原边正向链路、原边反向链路，以及与所述信号副边串联谐振网络并联的副边正向链路、副边反向链路；

所述原边正向链路包括串联的原边正向并联谐振网络和原边信号调制电路，所述原边反向链路包括串联的原边反向并联谐振网络和原边采样电阻，所述副边正向链路包括串联的副边正向并联谐振网络和副边采样电阻，所述副边反向链路包括串联的副边反向并联谐振网络和副边信号调制电路；

所述信号传输通道还包括连接所述原边采样电阻的原边信号解调电路，以及连接所述副边采样电阻的副边信号解调电路。

优选的，所述信号原边反向并联谐振网络包括并联的原边第一谐振电容、原边第一电感，所述信号原边正向并联谐振网络包括并联的原边第二谐振电容、原边第二电感，所述信号副边反向并联谐振网络包括并联的副边第一谐振电容、副边第一电感，所述信号副边正向并联谐振网络包括并联的副边第二谐振电容、副边第二电感。

优选的，所述原边第一谐振电容、所述原边第一电感、所述副边第一谐振电容、所述副边第一电感、所述原边信号调制电路满足：

其中，ω₁表示所述原边信号调制电路中原边信号源的角频率，C₁、L₁、C₁'、L₁'分别表示所述原边第一谐振电容、所述原边第一电感、所述副边第一谐振电容、所述副边第一电感。

优选的，所述原边第二谐振电容、所述原边第二电感、所述副边第二谐振电容、所述副边第二电感、所述副边信号调制电路满足：

其中，ω₂表示所述副边信号调制电路中副边信号源的角频率，C₂、L₂、C₂'、L₂'分别表示所述原边第二谐振电容、所述原边第二电感、所述副边第二谐振电容、所述副边第二电感。

优选的，所述功率原边谐振网络包括串接在所述原边线圈的一端的功率原边串联谐振电容，以及串接在所述原边线圈的另一端的功率原边补偿电容，以及与所述功率原边补偿电容串联的功率原边阻波网络；

所述功率副边谐振网络包括串接在所述副边线圈的一端的功率副边串联谐振电容，以及串接在所述副边线圈的另一端的功率副边补偿电容，以及与所述功率副边补偿电容串联的功率副边阻波网络。

优选的，所述功率原边阻波网络包括串联的原边第一LC并联阻波网络和原边第二LC并联阻波网络，所述功率副边阻波网络包括串联的副边第一LC并联阻波网络和副边第二LC并联阻波网络。

优选的，所述原边信号调制电路和所述副边信号调制电路采用ASK调制方式。

本发明提供的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***，用串联网络(信号原边串联谐振网络、信号副边串联谐振网络)传输两个数据载波，信号载波正向传输和反向传输可以同时进行，实现了同步全双工通信；用并联网络(原边正向并联谐振网络、原边反向并联谐振网络、副边正向并联谐振网络、副边反向并联谐振网络)在传输一个载波的同时阻塞另一个载波，保证了数据的传输质量。全双工通信不需要方向切换，因此不存在切换操作造成的时延。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***的电路拓扑图；

图2是本发明实施例提供的图1中信号传输信道的电路拓扑图；

图3是本发明实施例提供的图1中信号传输信道的等效电路拓扑图；

图4是本发明实施例提供的信号正向传输时图2的等效电路拓扑图；

图5是本发明实施例提供的信号正向传输时图4的进一步等效电路拓扑图；

图6是本发明实施例提供的信号反向传输时图2的等效电路拓扑图；

图7是本发明实施例提供的图1中第一、第二信号解调电路的电路拓扑图；

图8是本发明实施例提供的***参数计算流程图；

图9是本发明实施例提供的能量传输干扰作用电路；

图10是本发明实施例提供的全双工通信通道电路图；

图11是本发明实施例提供的信号通道相对于L_p的归一化阻抗曲线图；

图12是本发明实施例提供的能量传输通道Bode图；

图13是本发明实施例提供的无能量传输时的信号传输波形图；

图14是本发明实施例提供的能量信号同时传输时的信号传输通道波形图；

图15是本发明实施例提供的能量信号同时传输时的能量传输通道波形图。

图1、2中的附图标记包括：原边线圈L_P、副边线圈L_S、信号原边串联谐振电容C_PP、信号副边串联谐振电容C_SS、原边信号源AC₁、副边信号源AC₂、原边采样电阻R₁、副边采样电阻R₂、功率原边串联谐振电容C_P、功率原边补偿电容C_C、功率副边串联谐振电容C_S、功率副边补偿电容C_c′、原边第一并联阻波电容Cr₁、原边第一并联阻波电感Lr₁、原边第二并联阻波电容Cr₂、原边第二并联阻波电感Lr₂、副边第一并联阻波电容Cr₁′、副边第一并联阻波电感Lr₁′、副边第二并联阻波电容Cr₂′和副边第二并联阻波电感Lr₂′、原边第一谐振电容C₁、原边第一电感L₁、原边第二谐振电容C₂、原边第二电感L₂、副边第一谐振电容C₁′、副边第一电感L₁′、副边第二谐振电容C₂′、副边第二电感L₂′、原边信号源AC₁的角频率ω₁、副边信号源AC₂的角频率ω₂、第一～第四MOS管S1～S4、第一电感L_f1、第一电容C_f1、第二电感L_f2、第二电容C_f2、第一～第四二极管D1～D4、滤波电容C_d、负载R_L、原边键控开关SPDT₁、副边键控开关SPDT₂。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

本发明实施例提供的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，如图1、图2的拓扑图所示，包括功率传输通道和信号传输通道；

功率传输通道包括按照能量传输方向顺序连接的直流输入电路、高频逆变电路、功率原边谐振网络、耦合电路、功率副边谐振网络、整流器和负载；

耦合电路包括分别连接功率原边谐振网络和功率副边谐振网络的原边线圈L_P和副边线圈L_S；

信号传输通道包括串接在原边线圈L_P的一端的信号原边串联谐振电容C_PP，以及串接在副边线圈L_S的一端的信号副边串联谐振电容C_SS，原边线圈L_P与信号原边串联谐振电容C_PP组成信号原边串联谐振网络，副边线圈L_S与信号副边串联谐振电容C_SS组成信号副边串联谐振网络；

信号传输通道还包括与信号原边串联谐振网络并联的原边正向链路、原边反向链路，以及与信号副边串联谐振网络并联的副边正向链路、副边反向链路；

原边正向链路包括串联的原边正向并联谐振网络和原边信号调制电路，原边反向链路包括串联的原边反向并联谐振网络和原边采样电阻R₁，副边正向链路包括串联的副边正向并联谐振网络和副边采样电阻R₂，副边反向链路包括串联的副边反向并联谐振网络和副边信号调制电路。原边信号调制电路、副边信号调制电路均采用如图1所示的ASK的键控方式，SPDT₁为等效的原边键控开关，SPDT₁为等效的副边键控开关，AC₁为原边信号源，AC₂为副边信号源，数据1和数据2为作用于键控开关的数字基带信号，即源信号为“1”时，发送信号源(载波)，源信号为“0”时，发送0电平。

信号传输通道还包括连接原边采样电阻R₁的原边信号解调电路，以及连接副边采样电阻R₂的副边信号解调电路，下文中对这两个解调电路再进行介绍。

再次参见图1，功率原边谐振网络包括串接在原边线圈L_P的一端的功率原边串联谐振电容C_P，以及串接在原边线圈L_P的另一端的功率原边补偿电容C_C，以及与功率原边补偿电容C_C串联的功率原边阻波网络；

功率副边谐振网络包括串接在副边线圈L_S的一端的功率副边串联谐振电容C_S，以及串接在副边线圈L_S的另一端的功率副边补偿电容C_c′，以及与功率副边补偿电容C_c′串联的功率副边阻波网络。

功率原边阻波网络包括串联的原边第一LC并联阻波网络和原边第二LC并联阻波网络，功率副边阻波网络包括串联的副边第一LC并联阻波网络和副边第二LC并联阻波网络。原边第一LC并联阻波网络包括原边第一并联阻波电容Cr₁和原边第一并联阻波电感Lr₁，原边第二LC并联阻波网络包括原边第二并联阻波电容Cr₂和原边第二并联阻波电感Lr₂，副边第一LC并联阻波网络包括副边第一并联阻波电容Cr₁′和副边第一并联阻波电感Lr₁′，副边第二LC并联阻波网络包括副边第二并联阻波电容Cr₂′和副边第二并联阻波电感Lr₂′。

信号原边反向并联谐振网络包括并联的原边第一谐振电容C₁、原边第一电感L₁，信号原边正向并联谐振网络包括并联的原边第二谐振电容C₂、原边第二电感L₂，信号副边反向并联谐振网络包括并联的副边第一谐振电容C₁′、副边第一电感L₁′，信号副边正向并联谐振网络包括并联的副边第二谐振电容C₂′、副边第二电感L₂′。

在本实施例中，原边第一谐振电容C₁、原边第一电感L₁、副边第一谐振电容C₁′、副边第一电感L₁′、原边信号源AC₁满足：

其中，ω₁表示原边信号源AC₁的角频率。

原边第二谐振电容C₂、原边第二电感L₂、副边第二谐振电容C₂′、副边第二电感L₂′、副边信号源AC₂满足：

其中，ω₂表示副边信号源AC₂的角频率。

在图1中，功率传输通道的直流输入电路(直流电压源)即为E_dc，第一～第四MOS管S1～S4构成全桥逆变器，功率原边谐振网络还包括如图1连接的第一电感L_f1和第一电容C_f1，功率副边谐振网络还包括如图1连接的第二电感L_f2和第二电容C_f2。第一～第四二极管D1～D4和滤波电容C_d组成整流器，R_L代表负载。

信号正向传输时，其通道为：AC₁、C₂、L₂、L_P、L_S、C_SS、Lr₂′、Cr₂′、R₂，后接第一信号解调电路。

信号反向传输时，其通道为：AC₂、L₁′、C₁′、L_S、L_P、C_PP、L₁、C₁、R₁，后接第二信号解调电路。

为了简化计算和设计，取Lr₁＝Lr₁'，Lr₂＝Lr₂'，中心频率被调谐到远离功率传输频率的数据载波频率的阻波网络(Lr₁′、Cr₁′和Lr₂′、Cr₂′)被用来阻止数据载波流过全桥逆变器、整流器和负载而被削弱，补偿电容C_c和C_c′用来对加设的阻波网络对功率载波产生的电感进行补偿，使功率传输不受影响。采用这两个补偿电容，可以使阻波网络的电感值不再需要取很小，从而获得对数据载波更高的阻抗。实际上，在实际电路中，可以用C_peq和C_seq来分别代替原边和副边谐振电容C_p、C_c和C_s、C_c′，以减少元件数量，它们满足：C_peq＝C_pC_c/(C_p+C_c)、C_seq＝C_sC_c'/(C_s+C_c')。

本发明实施例提供的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***，用串联网络(信号原边串联谐振网络、信号副边串联谐振网络)传输两个数据载波，信号载波正向传输和反向传输可以同时进行，实现了同步全双工通信；用并联网络(功率原边阻波网络、功率副边阻波网络)在传输一个载波的同时阻塞另一个载波，保证了数据的传输质量。全双工通信不需要方向切换，因此不存在切换操作造成的时延。

下面对本传输***的特性和效果进行分析。

一、串联网络和并联网络的特性

1)串联网络(信号原边串联谐振网络、信号副边串联谐振网络)特性：

当待传输信号的角频率ω为串联网络的谐振角频率

时，串联网络的阻抗为：Z_s＝0。

当待传输信号的角频率ω＞ω₀时，即ω²LC-1＞0时，串联网络可由等效电感表示：

当待传输信号的角频率ω＜ω₀时，即ω²LC-1＜0时，串联网络可由等效电容表示：

其中，L＝L_P时，C＝C_PP，ω₀表示信号原边串联谐振网络的谐振角频率；L＝L_S时，C＝C_SS，ω₀表示信号副边串联谐振网络的谐振角频率。

2)并联网络特性：

当待传输信号的角频率ω为并联网络的谐振角频率

时，并联网络的阻抗为：Z_p＝∞。

当待传输的信号的角频率ω＞ω₀时，即ω²LC-1＞0时，则并联网络可以用等效电容表示：

当待传输的信号的角频率ω＜ω₀时，即ω²LC-1＜0时，则并联网络可以用等效电感表示：

其中，L＝L₁时，C＝C₁，ω₀表示原边反向并联谐振网络的谐振角频率；L＝L₂时，C＝C₂，ω₀表示原边正向并联谐振网络的谐振角频率；L＝L₁′时，C＝C₁′，ω₀表示副边反向并联谐振网络的谐振角频率；L＝L₂′时，C＝C₂′，ω₀表示副边正向并联谐振网络的谐振角频率。

二、能量和信号传输原理

1)能量传输

当全桥逆变器工作时，数据传输通道对功率载波有很高的阻抗，可将其视为开路，而阻波网络(功率原边阻波网络和功率副边阻波网络)则等效为电感。此外，电感由串联电容补偿。因此，功率传输通道相当于原来的双侧LCC结构的WPT***。能量传输通道的等效电路如图3所示，其中U_ac是全桥逆变器的输出电压，R_eq为整流电路和负载R_L的等效电阻。等效电阻的电阻可以表示为

2)信号正向传输

根据叠加原理，当原边信号源AC₁单独工作时，副边信号源AC₂相当于短路。根据并联网络的特点，并联网络(L₁,C₁)、(L₁′,C₁′)、(Lr₁,Cr₁)和(Lr₁′,Cr₁′)相当于开路。信号正向传输信道的等效电路如图4所示。

假设ω₁>ω₂，当信号正向传输时，由(3)可知，由(L₂,C₂)和(L₂′,C₂′)组成的并联网络相当于电容，等效电容器的电容为：

为了使原边和副边电路在角频率ω₁处谐振，由(L_p,C_pp)和(L_s,C_ss)构成的串联网络须对角频率为ω₁的载波等效为电感。由(1)可知，等效电感为：

信号正向传输通道的电路图可进一步等效为图5。当信号正向传输时，由信号源AC₁产生的正弦信号由等效SS补偿谐振网络从原边传输到副边，然后采样电阻R₂对信号进行采样。至此，信号成功地从原边传输到副边。

3)信号反向传输

与正向传输类似，由(L₁,C₁)和(L₁′,C₁′)构成的并联网络相当于电感，由(4)可知，等效电感器的电感可表示为：

由(2)可知，由(L_p,C_pp)和(L_s,C_ss)构成的串联网络的等效电容可表示为：

信号反向传输的进一步等效电路如图6所示。当信号反向传输时，由信号源AC₂生成的正弦信号由等效SS补偿谐振网络从副边传输到原边，并且由采样电阻器R₁对信号进行采样。至此，信号成功地从副边传输到原边。

三、信号调制和解调

1)信号调制

幅移键控(ASK)和负载移位键控(LSK)是信号传输中最常用的键控方式。开关键控(OOK)是ASK的一种特殊情况，在信号调制中也得到了广泛的应用。ASK和LSK的最大优点是简单。本文采用OOK，它可以表示为：

其中A和ω分别是数据载波的振幅和角频率。当要传输的数据为“1”时，正弦波在信号通道中传输。当要传输的数据为“0”时，信号通道中无数据载波传输。

2)信号解调

第一、第二信号解调电路主要由电压跟踪模块、带通滤波器、包络检波模块和电压比较器组成。首先，由运算放大器构成的电压跟随器跟随采样电阻电压信号，然后通过带通滤波器对信号进行滤波以进一步滤除干扰，然后由包络解调模块提取信号的包络，最后通过电压比较器对信号包络进行整形，恢复基带信号。信号解调模块如图7所示。

四、***参数计算

***参数计算可以参照图8参数计算流程图进行。在参数计算过程中，两个载波的角频率和L₁、L₂可预先确定，可推导出：

由(5)和(6)可推导出：

由(7)和(8)可推导出：

(11)和(12)联立可得：

将全桥逆变器的工作角频率定义为ω_r＝2πf_r,，对于双侧LCC型无线电能传输***，C_p、C_s、C_f1和C_f2满足：

阻波网络(阻波网络)用于阻断高频信号载波进入功率逆变器和整流器回路中，阻波网络的阻抗越高越好。但在实际应用中，受电感器的等效串联电阻、***空间和成本的限制，应合理选择Lr₁和Lr₂的电感值。在技术条件允许的范围内，电感值越高，Q值越高的电感，阻波网络的阻抗越高，可推导出：

为了减小功率传输与信号传输之间的干扰，在该***中，角频率应满足ω₁>ω₂>>ω_r，其中ω₂的对应频率在MHz级，ω_r在kHz级。

由(4)可知，对频率较低的能量载波而言，阻波网络可等效为电感，等效电感为：

将ω₂与ω_r和ω₁与ω_r的比值分别定义为α和β，

并将其代入(16)，可以得出：

由(17)可知：

五、***性能分析

1)添加的信号通道对能量传输的影响

在分析数据传输通道的增加对功率传输的影响时，需要考虑两个问题。一个是由于增加了数据传输电路而造成的功率传输损耗；另一个是信号传输对功率传输的干扰^[8]。根据串联网络的特点，(L_p,C_pp)和(L_s,C_ss)构成的网络的谐振角频率远高于功率通道谐振角频率，C_pp和C_ss很小。这两个电容器在功率谐振频率下的阻抗很高。因此，与一次线圈电流和二次线圈电流相比，通过数据传输通道的功率电流很小，可以忽略，并且由于数据传输通道的增加而造成的功率传输损耗可以忽略。就数据传输对功率传输的干扰而言，信号电路能量极小，因此可以忽略数据传输对功率通道的干扰。

2)能量传输对信号传输的影响

为了实现高质量的数据传输，在***设计过程中，应尽量增大输出数据的载波容量，削弱功率传输的干扰。功率转移的干扰主要来自通过该电阻的低频功率电流对采样电阻产生的干扰电压。以一次侧为例，功率信道对R₁的干扰的工作电路如图9所示。

U_Lp是原边线圈的电压。在计算功率电流激励的原边线圈电压时，由于信号通道对功率载波为高阻抗，信号通道可以忽略不计。

原边线圈电压为：

式中，I_p为原边线圈的功率电流，Z_r为副边的反射阻抗。Z_r可以表示为：

能量在采样电阻R₁上的干扰电压可表示为：

其中Z_psig为信号通道对功率载波的阻抗，Z_psig可以表示为：

同理可求得能量载波在采样电阻R₂上的干扰电压。

3)两个信号载波之间的串扰

在实际应用中，电感存在内阻，在谐振角频率下并联网络的阻抗不能达到无穷大。为了分析数据传输串扰，必须考虑电感的内阻。全双工通信信道的电路图如图10所示。R_s1、R_s2、R_sp、R_ss、R_s2′、R_s1′分别为L₂、L₁、L_P、L_s、L₂′、L₁′的内阻。

当考虑电感内阻时，并联网络的阻抗可以表示为：

式中，L、C、R和ω分别是并联网络电感的电感、电容、内阻和数据载波的角频率。

定义

并代入(23)，可以得到：

当ωL>>R，γ≈0时，Z_para的虚部可重写为：

由(25)可知，当电感内阻远小于ωL时，谐振网络几乎不受内阻影响。

当数据正向传输时，反向数据传输的干扰主要是R₂上的由AC₂产生的电压。(L₂，C₂)并联网络的阻抗比较大，可以简化为开路。主信号通道的反射阻抗可以表示为：

在计算副边的数据载波电流时，(L₂′,C₂′)并联网络的阻抗比较大，可以作为开路来简化计算。可推导出副边的数据载波电流：

副边串联网络(L_s，C_ss)的电压：

反向信号载波在R₂上的干扰电压U_int-AC2为：

其中

为与R₂相连的并联网络的阻抗。

当信号反向传输时，与正向传输相同，可求得正向信号载波在R₁上的干扰电压U_int-AC1：

其中，U_s-p、

I_p-sig和Z_r-sigs分别为原边串联网络的电压、与R₁相连的并联网络的阻抗、原边信号载波电流和副边信号通道的反射阻抗。

4)信号传输

当信号正向传输时，从原边信号源电压u₁到副边采样电阻R₂电压u₄的传递函数可以表示为：

当信号反向传输时，从副边信号源电压u₂到原边采样电阻器R₁电压u₃的传递函数可以表示为：

5)能量传输

从全桥逆变器输出电压到等效负载R_eq电压的传递函数可导出为：

六、实验结果和验证

为了验证所提出方法的有效性，基于图2搭建了实验平台。如第二节所述，信号通道对功率波具有高阻抗，可视为开路。L₁＝25uH，L₂＝47uH，R₁＝1000Ω，和三组ω₁和ω₂(ω₁＝2π*2*10⁶，ω₂＝2π*1.2*10⁶，ω₁＝2π*3*10⁶，ω₂＝2π*1.5*10⁶和ω₁＝2π*4*10⁶，ω₂＝2π*2*10⁶)，可推导出C₁、C₂、L_p和C_pp等其它参数。将参数代入(22)，并且当全桥逆变器的开关频率f_r从40kHz到100kHz变化时，可以获得到L_p的归一化阻抗曲线，如图11所示。

图11表明：

a)信号通道对功率波的阻抗远高于L_p对功率波的阻抗。

b)信号通道的阻抗与信号波与功率波的频率比呈正相关。比值越大，阻抗越高。

如前所述，信号传输对能量传输的干扰可以忽略。选择表1中所列的一组***参数，分析信号通道(阻波网络)添加与否时，能量传输通道的响应。

表1.***参数

能量传输通道的Bode图如图12所示。从图12可以得出，在全桥逆变器的开关频率处，添加阻波网络与否，能量传输通道的增益相同。逆变器开关频率处的功率传输几乎不受信号通道的影响。

无能量传输时，信号传输波形如图13所示。图中从上至下箭头所指的第二波形为原边采样电阻R₁上的电压波形，幅值较小的包络为原边载波在R₁上产生的干扰电压。第一波形为第二波形经过包络检波和电压比较整形后的波形。第四波形为副边采样电阻R₂上的电压波形，幅值较小的包络为副边载波在R₂上产生的干扰电压。第三波形为第四波形经过包络检波和电压比较整形后的波形。当第一波形和第三波形同时为高时，即表示信号通道中有两个载波同时传输，由图可知，信号载波正向传输和反向传输可以同时进行，通过本实施例所提出的***，在无线电能传输***中，实现了全双工通信。

能量信号同传时，信号传输波形如图14所示。当能量和信号同时传输时，可以看到，能量对信号干扰电压和信号载波对另一信号载波的干扰电压相叠加，会使对信号的干扰电压加大，影响信号的解调，通过调节适当的比较器门限电压，能够实现信号的成功解调。

能量信号同时传输时，能量传输通道波形如图15所示。当能量信号同时传输时，图15中从上至下箭头所指分别为副边整流输出电压波形、原边逆变电流波形和逆变输出电压波形。

七、结论

本文提出了一种实现并行全双工通信和无线电能传输的新***，信号调制采用幅移键控(ASK)调制方式，调制和解调都比较简单易实现，降低了电路设计实现的复杂性。文中对***性能和能量传输与信号传输的串扰进行分析，最后通过搭建实验平台验证了该方法的可行性。实验结果表明，在无线传输能量的同时可以实现信号的双向同步传输。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，其特征在于：包括功率传输通道和信号传输通道；

所述功率传输通道包括按照能量传输方向顺序连接的直流输入电路、高频逆变电路、功率原边谐振网络、耦合电路、功率副边谐振网络、整流器和负载；

所述耦合电路包括分别连接所述功率原边谐振网络和所述功率副边谐振网络的原边线圈和副边线圈；

所述功率原边谐振网络包括串接在所述原边线圈的一端的功率原边串联谐振电容，以及串接在所述原边线圈的另一端的功率原边补偿电容，以及与所述功率原边补偿电容串联的功率原边阻波网络；所述功率原边阻波网络用于在向副边传输原边的数据载波时阻塞副边的数据载波，所述功率原边补偿电容用于补偿所述功率原边阻波网络对功率载波产生的电感；

所述功率副边谐振网络包括串接在所述副边线圈的一端的功率副边串联谐振电容，以及串接在所述副边线圈的另一端的功率副边补偿电容，以及与所述功率副边补偿电容串联的功率副边阻波网络；所述功率副边阻波网络用于在向原边传输副边的数据载波时阻塞原边的数据载波，所述功率原边补偿电容用于补偿所述功率原边阻波网络对功率载波产生的电感；

所述功率原边阻波网络包括串联的原边第一LC并联阻波网络和原边第二LC并联阻波网络，所述功率副边阻波网络包括串联的副边第一LC并联阻波网络和副边第二LC并联阻波网络；

所述信号传输通道包括串接在所述原边线圈的一端的信号原边串联谐振电容，以及串接在所述副边线圈的一端的信号副边串联谐振电容，所述原边线圈与所述信号原边串联谐振电容组成信号原边串联谐振网络，所述副边线圈与所述信号副边串联谐振电容组成信号副边串联谐振网络；

所述信号传输通道还包括与所述信号原边串联谐振网络并联的原边正向链路、原边反向链路，以及与所述信号副边串联谐振网络并联的副边正向链路、副边反向链路；

所述原边正向链路包括串联的原边正向并联谐振网络和原边信号调制电路，所述原边反向链路包括串联的原边反向并联谐振网络和原边采样电阻，所述副边正向链路包括串联的副边正向并联谐振网络和副边采样电阻，所述副边反向链路包括串联的副边反向并联谐振网络和副边信号调制电路；

所述信号传输通道还包括连接所述原边采样电阻的原边信号解调电路，以及连接所述副边采样电阻的副边信号解调电路；

所述原边第一LC并联阻波网络、所述副边第一LC并联阻波网络、所述原边反向并联谐振网络、所述副边反向并联谐振网络的谐振角频率相同均等于所述原边信号调制电路中原边信号源的角频率ω₁；

所述原边第二LC并联阻波网络、所述副边第二LC并联阻波网络、所述原边正向并联谐振网络、所述副边正向并联谐振网络的谐振角频率相同均等于所述副边信号调制电路中副边信号源的角频率ω₂；

当信号正向传输时，原边信号调制电路中原边信号源的角频率为ω₁，所述原边第一LC并联阻波网络、所述副边第一LC并联阻波网络、所述原边反向并联谐振网络、所述副边反向并联谐振网络均等效为开路，所述原边正向并联谐振网络、所述信号原边串联谐振电容与所述原边线圈构成串联谐振，所述副边正向并联谐振网络、所述信号副边串联谐振电容与所述副边线圈构成串联谐振，串联谐振的角频率均为ω₁；

当信号反向传输时，副边信号调制电路中副边信号源的角频率为ω₂，所述原边第二LC并联阻波网络、所述副边第二LC并联阻波网络、所述原边正向并联谐振网络、所述副边正向并联谐振网络等效为开路，所述副边反向并联谐振网络、所述信号副边串联谐振电容与所述副边线圈构成串联谐振，所述原边反向并联谐振网络、所述信号原边串联谐振电容与所述原边线圈构成串联谐振，串联谐振的角频率均为ω₂，ω₂不等于ω₁；

在传输功率载波时，所述信号传输通道被等效为开路，所述功率原边阻波网络与所述功率原边补偿电容被等效为短路，所述功率副边阻波网络与所述功率副边补偿电容被等效为短路。

2.如权利要求1所述的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，其特征在于：所述信号原边反向并联谐振网络包括并联的原边第一谐振电容、原边第一电感，所述信号原边正向并联谐振网络包括并联的原边第二谐振电容、原边第二电感，所述信号副边反向并联谐振网络包括并联的副边第一谐振电容、副边第一电感，所述信号副边正向并联谐振网络包括并联的副边第二谐振电容、副边第二电感。

3.如权利要求2所述的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，其特征在于，所述原边第一谐振电容、所述原边第一电感、所述副边第一谐振电容、所述副边第一电感、所述原边信号调制电路满足：

其中，C₁、L₁、C₁'、L₁'分别表示所述原边第一谐振电容、所述原边第一电感、所述副边第一谐振电容、所述副边第一电感。

4.如权利要求2所述的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，其特征在于：所述原边第二谐振电容、所述原边第二电感、所述副边第二谐振电容、所述副边第二电感、所述副边信号调制电路满足：

其中，C₂、L₂、C₂'、L₂'分别表示所述原边第二谐振电容、所述原边第二电感、所述副边第二谐振电容、所述副边第二电感。

5.如权利要求1所述的基于单线圈耦合机构的同步全双工通信无线功率传输***，其特征在于：所述原边信号调制电路和所述副边信号调制电路采用ASK调制方式。

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