本發(fā)明屬于電力電子，尤其涉及一種基于屏蔽電容極板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膚pt系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)并行傳輸方法。

背景技術(shù)：

1、隨由于無線電能傳輸系統(tǒng)功率和頻率的提升，為了提高的電能傳輸效率和系統(tǒng)的抗擾能力，需要無線電能傳輸?shù)墓β拾l(fā)射端和接收端進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互。目前常見的共享通道式能量數(shù)據(jù)并行傳輸有一下幾種方式：

2、一、電能調(diào)制式能量數(shù)據(jù)并行傳輸方法，根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)的不同調(diào)制電能發(fā)送端電壓幅值，最終在拾取端通過檢測(cè)輸出電壓幅值實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的解調(diào)。由于信號(hào)的直接調(diào)制在電能通道，恒壓和恒流控制較為困難，難以在恒壓恒流控制的過程中保證信號(hào)的完整性。

3、二、基于高頻數(shù)據(jù)載波的共享通道式能量數(shù)據(jù)并行傳輸，采用頻分復(fù)用的方式將調(diào)制信號(hào)注入公共通道，利用基波分量傳輸電能，高階分量傳輸數(shù)據(jù)。使高頻載波與電能同時(shí)通過同一個(gè)耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳輸。信號(hào)傳輸速率相對(duì)較高，但是，當(dāng)通過改變逆變器的占空比或相移角將選定的諧波設(shè)計(jì)為零或一定值時(shí)，其他階諧波仍然存在，這對(duì)信號(hào)提取有重大影響，解調(diào)難度進(jìn)一步加大。

4、三、多電感通道的分離通道式能量數(shù)據(jù)并行傳輸，由于分離通道需要增添額外電感線圈來傳輸信號(hào)，其從物理上降低了電能和信號(hào)之間的串?dāng)_，但增加線圈所造成的成本與空間的增加限制了其應(yīng)用場(chǎng)景，并且兩個(gè)獨(dú)立線圈分別接收電源和數(shù)據(jù)信號(hào)的情況下，電源和數(shù)據(jù)接收線圈之間的交叉耦合可能導(dǎo)致一定的串?dāng)_出現(xiàn)。

5、上述常見的共享通道式能量數(shù)據(jù)并行傳輸，只需一個(gè)通道傳輸電能與信號(hào)，且信號(hào)傳輸速率相對(duì)較高，但電能傳輸對(duì)信號(hào)傳輸?shù)拇當(dāng)_問題難以解決，需增加額外的隔離電路和采用控制算法來解決串?dāng)_問題，提高了電路復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度；而分離通道式能量數(shù)據(jù)并行傳輸從物理上降低了電能和信號(hào)之間的串?dāng)_，但額外的數(shù)據(jù)通道增加了系統(tǒng)的成本。

6、現(xiàn)有技術(shù)中有數(shù)據(jù)通過耦合線圈和金屬屏蔽板的寄生電容產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制和傳輸，而功率則通過耦合線圈產(chǎn)生的相對(duì)低頻磁場(chǎng)傳輸。該方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，不需要額外的線圈，并且因?yàn)楣β释ㄟ^磁場(chǎng)傳輸，而數(shù)據(jù)通過電場(chǎng)，帶通濾波器易于設(shè)計(jì)。并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)功率傳輸幾乎沒有影響，具有靈活性好、空間位置偏移冗余大等優(yōu)點(diǎn)。

7、但現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路由鋁板和線圈的寄生電容構(gòu)建而成。在這種情況下，線圈電感和電容特性的多路復(fù)用使得功率和數(shù)據(jù)傳輸通道沒有完全解耦，數(shù)據(jù)通過部分功率傳輸電路，不可避免地導(dǎo)致復(fù)雜的參數(shù)設(shè)計(jì)和相對(duì)較低的信號(hào)質(zhì)量。在異物檢測(cè)方面，當(dāng)能量傳輸通道出現(xiàn)金屬異物時(shí)，雖然其不會(huì)影響鋁板電場(chǎng)的信號(hào)傳遞，但還是會(huì)一定程度上影響電感線圈的寄生電容，負(fù)載受到異物的電壓擾動(dòng)并不能快速由鋁板和線圈寄生電容產(chǎn)生的耦合電場(chǎng)信號(hào)通道反饋至發(fā)送端，需要在線圈電感的原副邊分邊增加檢測(cè)裝置，再?zèng)Q定是否停止電能傳輸，檢測(cè)速度較慢，在緊急情況下，不能立即停止逆變器工作。此外，在緊急情況下，例如線圈被燒毀，應(yīng)立即發(fā)送報(bào)警消息以停止電力傳輸，這對(duì)于依賴線圈的數(shù)據(jù)傳輸方法來說是一個(gè)難以解決的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于屏蔽電容極板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膚pt系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)并行傳輸方法。本發(fā)明為了降低成本以及電能傳輸與信號(hào)傳輸間的相互串?dāng)_及信號(hào)通道的復(fù)雜度，提出的基于屏蔽電容極板進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸合理利用電磁屏蔽板，不需添加額外屏蔽隔離電路，極大降低了成本與空間，利用電路自身阻抗特性，減小電能對(duì)信號(hào)的干擾，降低信道的復(fù)雜度，并且保證信號(hào)通道的存在不會(huì)影響系統(tǒng)傳輸功率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供了一種基于屏蔽電容極板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膚pt系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過在原有利用耦合線圈傳遞能量的wpt系統(tǒng)中添加利用屏蔽電容極板的信號(hào)傳遞通路；wpt系統(tǒng)包括電能傳輸和信號(hào)傳輸兩個(gè)通道，其中，信號(hào)傳輸通道采用四諧振雙抑制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙全工通信，兩個(gè)數(shù)據(jù)載波通過并行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)和串行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)形成的等效ss補(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸；并行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)用于在傳輸另一個(gè)載波的同時(shí)阻止一個(gè)載波，串行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)用于補(bǔ)償電路無功功率，提高電容極板的傳輸功率；正反向信號(hào)通過阻波諧振網(wǎng)絡(luò)與諧振電感注入到屏蔽電容極板，在原/副邊的耦合極板上形成高頻交變電勢(shì)差，產(chǎn)生高頻電場(chǎng)并在原/副邊極板上激發(fā)交變電壓，形成交互電場(chǎng)；在交互電場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移電流“流過”極板，將兩個(gè)數(shù)據(jù)載波傳遞至wpt系統(tǒng)原/副邊接收屏蔽電容極板。

4、在一種實(shí)施方式中，所述電能傳輸通道具體為：輸入直流電源vin通過四個(gè)開關(guān)管所構(gòu)成的全橋逆變電路，產(chǎn)生一個(gè)頻率為ω0正弦波，電能傳輸部分采用等效ss補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，cp和cs為原邊發(fā)射線圈lp和副邊接收線圈ls的補(bǔ)償電容，用以消除線圈的自感，電能傳輸?shù)母边呁ㄟ^二極管d1～d4不控整流為負(fù)載rl供電；

5、所述信號(hào)傳輸通道具體為：

6、為了進(jìn)行信號(hào)的雙全工傳輸，分別在信號(hào)傳輸電路的原邊側(cè)和副邊側(cè)設(shè)置了u1和u2兩個(gè)信號(hào)源模擬信號(hào)輸入，正向數(shù)字信號(hào)date1?in和反向數(shù)字信號(hào)date2in通過ask調(diào)制方式與規(guī)定頻率的正弦波進(jìn)行調(diào)制，再利用功率放大器注入至信號(hào)傳輸通道中；

7、原邊發(fā)射線圈lp與副邊接收線圈ls分別位于屏蔽電容極板的內(nèi)側(cè)，cs1、cs2為屏蔽電容極板的等效互電容，cp12與cp34分別為屏蔽電容極板發(fā)射端和接受端的等效自電容；

8、為了對(duì)正反向信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，使正反向信號(hào)的正弦載波位于不同頻帶，設(shè)置正向信號(hào)載波頻率為ω1，反向信號(hào)載波頻率為ω2；

9、正向信號(hào)通過阻波諧振網(wǎng)絡(luò)l1、c1與原邊諧振電感l(wèi)pp注入到原邊屏蔽電容極板，副邊接收屏蔽電容極板再通過副邊諧振電感l(wèi)ss與阻波諧振網(wǎng)絡(luò)l3、c3在采樣電阻r2得到信號(hào)波形；從r2采樣到信號(hào)波形后通過半波整流成只含正半軸的信號(hào)波形，通過rc濾波器濾掉通帶外的噪聲，用運(yùn)算放大器放大濾波后的波形送至包絡(luò)檢波，將檢測(cè)的包絡(luò)信號(hào)與給定值比較得到數(shù)字信號(hào)；

10、反向信號(hào)通過l4、c4阻波網(wǎng)絡(luò)與副邊諧振電感l(wèi)ss注入到副邊屏蔽電容極板，再通過位移電流將信號(hào)傳輸至原邊屏蔽電容極板，通過原邊諧振電感l(wèi)pp與阻波諧振網(wǎng)路l2、c2傳輸至采樣電阻r1得到信號(hào)波形，從r1采樣到信號(hào)波形后通過半波整流成只含正半軸的信號(hào)波形，通過rc濾波器濾掉通帶外的噪聲，用運(yùn)算放大器放大濾波后的波形送至包絡(luò)檢波，將檢測(cè)的包絡(luò)信號(hào)與給定值比較得到數(shù)字信號(hào)。

11、在一種實(shí)施方式中，所述原邊發(fā)射線圈lp與副邊接收線圈ls及其補(bǔ)償電容cp與cs需要滿足以下公式：

12、

13、其中，ω0為輸入直流電源vin通過四個(gè)開關(guān)管所構(gòu)成的全橋逆變電路所產(chǎn)生正弦波的角頻率；f0為角頻率ω0對(duì)應(yīng)下的頻率；lp為原邊發(fā)射線圈電感量，cp為原邊補(bǔ)償電容的容值；ls為副邊發(fā)接收線圈電感量，cs為副邊補(bǔ)償電容的容值。

14、在一種實(shí)施方式中，所述屏蔽電容極板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用平行式圓盤耦合結(jié)構(gòu)，具體為：

15、屏蔽電容極板發(fā)射端p1、p2與接收端p3、p4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用平行式圓盤耦合結(jié)構(gòu)，cs1為p1、p3之間的等效互電容，cs2為p2、p4之間的等效互電容，cp12與cp34分別為平行電容極板發(fā)射端和接受端的等效自電容。

16、在一種實(shí)施方式中，wpt系統(tǒng)的幾何參數(shù)包括線圈和金屬屏蔽板尺寸，在確定線圈后通過ansys軟件中的尋優(yōu)函數(shù)的有限元分析獲得金屬屏蔽板尺寸。

17、在一種實(shí)施方式中，在原邊發(fā)射線圈和副邊接收線圈半徑r＝57mm，當(dāng)內(nèi)側(cè)電容極板的外半徑r1＝40.5mm，外側(cè)電容極板的半徑r2＝72.3mm，外側(cè)電容極板內(nèi)徑與內(nèi)側(cè)電容極板半徑之差lg＝1mm，線圈和極板之間的寄生電容差幾乎為零，即原邊發(fā)射線圈lp與副邊的屏蔽電容極板p3(外側(cè)電容極板)、p4(內(nèi)側(cè)電容極板)之間的寄生電容相同，副邊接收線圈ls與原邊的屏蔽電容極板p1(外側(cè)電容極板)、p2(內(nèi)側(cè)電容極板)之間的寄生電容相同。

18、在一種實(shí)施方式中，所述并行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)由四組并行諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，四組并行諧振網(wǎng)絡(luò)分別為諧振電感l(wèi)1與諧振電容c1并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、諧振電感l(wèi)2與諧振電容c2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、諧振電感l(wèi)3與諧振電容c3并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、諧振電感l(wèi)4與諧振電容c4并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；l1c1并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與l3c3并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)處于同一諧振頻率，l2c2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與l4c4并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)處于同一諧振頻率；即正向lc網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)正好是反向lc網(wǎng)絡(luò)的抑制點(diǎn)；串行l(wèi)c諧振網(wǎng)絡(luò)由補(bǔ)償電感l(wèi)pp和lss和耦合極板cs1與cs2構(gòu)成；通過等效ss補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)將兩個(gè)信號(hào)源應(yīng)用于wpt系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

19、在一種實(shí)施方式中，正向的信號(hào)載波的頻率和反向的信號(hào)載波頻率的頻率設(shè)定方法如下：

20、設(shè)定正向傳輸載波頻率為ω1，反向傳輸載波頻率為ω2，將ω1頻率下的諧振點(diǎn)調(diào)整為ω2頻率下的抑制點(diǎn)(阻抗最大)，將ω2頻率下的諧振點(diǎn)調(diào)整為ω1頻率下的抑制點(diǎn)，使得一個(gè)lc諧振網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)共振點(diǎn)正好是另一個(gè)lc諧振網(wǎng)絡(luò)的抑制點(diǎn)。

21、在一種實(shí)施方式中，等效ss補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的選型過程如下：

22、將全雙工通信通道拓?fù)涞刃榫哂械刃s補(bǔ)償?shù)腸pt系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出輸入阻抗；

23、當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，輸入阻抗zin為純阻性時(shí)，設(shè)定補(bǔ)償電感l(wèi)1和l2需要滿足的約束條件；

24、設(shè)定正向的信號(hào)載波的頻率和反向的信號(hào)載波頻率的頻率，將ω1頻率下的諧振點(diǎn)調(diào)整為ω2頻率下的抑制點(diǎn)(阻抗最大)，將ω2頻率下的諧振點(diǎn)調(diào)整為ω1頻率下的抑制點(diǎn)，即正向lc諧振網(wǎng)絡(luò)的共振點(diǎn)正好是反向lc諧振網(wǎng)絡(luò)的抑制點(diǎn)；

25、l1、c1網(wǎng)絡(luò)與l3、c3網(wǎng)絡(luò)需要在反向載波頻率ω2下并聯(lián)諧振；

26、l2、c2網(wǎng)絡(luò)與l4、c4網(wǎng)絡(luò)需要在正向載波頻率ω1下并聯(lián)諧振；

27、正向信號(hào)傳輸時(shí)，化簡(jiǎn)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)：

28、將諧振網(wǎng)絡(luò)l1、c1與補(bǔ)償電感l(wèi)pp等效為等效電感l(wèi)eq1；

29、將諧振網(wǎng)絡(luò)l3、c3與補(bǔ)償電感l(wèi)ss等效為等效電感l(wèi)eq2；

30、當(dāng)leq1電感值與leq2電感值滿足l1與l2的約束條件時(shí)，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)；

31、反向信號(hào)傳輸同理，化簡(jiǎn)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)：

32、將諧振網(wǎng)絡(luò)l2、c2與補(bǔ)償電感l(wèi)pp等效為等效電感l(wèi)eq3，

33、將諧振網(wǎng)絡(luò)l4、c4與補(bǔ)償電感l(wèi)ss等效為等效電感l(wèi)eq4；

34、當(dāng)leq3電感值與leq4電感值滿足l1與l2的約束條件時(shí)，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)依此設(shè)計(jì)諧振網(wǎng)絡(luò)l1、c1，l3、c3，l2、c2，l4、c4與lpp與lss的數(shù)值。

35、本發(fā)明還提供了一種基于屏蔽電容極板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膚pt系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并行傳輸方法，所述方法包括：采用輻移鍵控(ask)的方式，將載波幅值按照數(shù)字信號(hào)的不同而改變，通過上位機(jī)發(fā)送的01數(shù)字信號(hào)通過da轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為帶電壓的模擬信號(hào)，再利用ask調(diào)制將其與額定頻率的正弦載波進(jìn)行調(diào)制，模擬信號(hào)為高電壓時(shí)ask調(diào)制輸出載波振幅為a1代表數(shù)字信號(hào)1，模擬信號(hào)為低電壓時(shí)ask調(diào)制模塊輸出載波振幅為a0代表數(shù)字信號(hào)0，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制；再經(jīng)由同比例放大電路后實(shí)現(xiàn)不同幅值的信號(hào)載波輸出；

36、在接受側(cè)先經(jīng)半波整流后通過rc濾波器獲取到調(diào)制載波，利用非相干法包絡(luò)檢波得到載波信號(hào)的包絡(luò)波，達(dá)到對(duì)載波信號(hào)的解調(diào)；

37、最后，通過比較器通過將包絡(luò)波與給定電壓信號(hào)相比較，包絡(luò)波大于比較電壓時(shí)比較器輸出1，小于比較電壓時(shí)比較器輸出0，至此模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

38、在一種實(shí)施方式中，通過包絡(luò)波解調(diào)獲取載波信號(hào)的過程包括：

39、輸入載波經(jīng)過一個(gè)檢波二極管得到正半周的波形，通過一個(gè)rc并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，利用改變電阻r和電容c的值，來調(diào)整充放電常數(shù)τ，得到波形的載波信號(hào)；其中rc參數(shù)的設(shè)計(jì)需要滿足兩個(gè)條件：首先應(yīng)保證電容c放電的速度比單周期載波電壓下降速度慢；其次要求電容放電時(shí)間應(yīng)短于載波中一位數(shù)字信號(hào)所占用時(shí)間的一半。

40、本發(fā)明有益效果：

41、本發(fā)明由電感和屏蔽電容極板混合的數(shù)據(jù)能量分離式通道傳輸，由于存在獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道，無需再對(duì)電能傳輸?shù)妮d波進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，解決了電能調(diào)制式恒壓恒流控制難的問題，由于是分離通道傳輸，解決高頻數(shù)據(jù)載波能量信號(hào)并行傳輸時(shí)的信號(hào)串?dāng)_問題，由于采用電磁屏蔽金屬板作為信號(hào)傳輸?shù)碾娙萃罚恍枰~外增加電感，解決了多電感分離通道式的成本高與空間大的問題。