信号与能量传输极板层叠方式下的EC-WPT系统及串扰抑制方法

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种信号与能量传输极板层叠方式下的ec-wpt系统及串扰抑制方法。

背景技术：

1、无线电能传输(wireless power transfer，wpt)技术借助磁场、电场、微波、激光等作为能量载体来传输电能，该技术已成为国内外研究热点。其中以磁场耦合式电能传输(magnetic-field coupled wireless power transfer，mc-wpt)技术和电场耦合式电能传输(electric-field coupled wireless power transfer，ec-wpt)技术为国内外专家和学者的主要研究对象。

2、ec-wpt技术，以电场作为能量传输载体，电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；当耦合机构之间或周围存在金属导体时，使导体产生涡流损耗小；在工作状态中，耦合机构的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。从ec-wpt技术的上述特点可以看出其具有广阔的发展前景，因此也越来越受到关注。

3、在实际工程应用中，ec-wpt系统为了达到更好的电能传输效果，提高系统的鲁棒性和系统能效性能，需要电能发射端与负载接收端进行实时通信，从而实现闭环控制的目的；除此之外，在一些应用场合，电能发射端需要将一些控制指令等信息传输至电能接收端，而电能接收端也需要将大量的数据传输至电能发射端，如水下机器人、无人机等无线供电系统；目前许多学者已经围绕ec-wpt系统电能与信号并行传输技术展开研究并提出了一些解决方案。

4、ec-wpt系统电能与信号并行传输技术目前研究的最多的实现方式主要有共享通道式及共享部分能量通道式。共享通道式为能量传输与信号传输共享同一传输通道。中国专利201410623486.4公开一种ecpt中的能量信号并行传输电路及其控制方法，采用共享通道式，所搭建的实验装置实现了73.98w能量无线传输，且信号速率达到5.6mbps。共享部分能量通道式为采用部分能量通道作为共享通道传输信号。中国专利201710590280.x公开了一种基于ecpt的电能与信号回路分离式并行传输系统及参数设计方法，采用共享部分能量通道式，给出了能量极板与信号极板平行摆放方式下系统的参数设计方法，所搭建的实验装置实现了传输12.54w能量及115.2kbps的信号单向传输速度。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提出了一种信号与能量传输极板层叠方式下的ec-wpt系统，通过将信号传输极板与能量传输极板层叠设置，使其在保证能量传输性能的前提下，实现在较大传输功率下信号双向高速传输；同时可以实现在极板面积受限的一些实际应用情况下，能有效增加电能传输极板面积，有利于提升电能传输性能

2、为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

3、一种信号与能量传输极板层叠方式下的ec-wpt系统，其关键在于：包括第一对极板、第二对极板和第三对极板；所述第一极对和所述第二对极板构成能量传输通道，其原边配置有直流电源、高频逆变电路和原边补偿网络，其副边配置有副边补偿网络、整流滤波电路和负载；

4、所述第一对极板和所述第二对极板水平排列设置，所述第三对极板层叠设置在所述第二对极板之间，所述第三对极板与第二对极板构成信号传输通道，所述信号传输通道原边配置有原边信号发射电路、原边信号接收电路、原边切换电路、原边阻波网络和原边检测电阻，所述信号传输通道副边配置有副边信号发射电路、副边信号接收电路、副边切换电路、副边阻波网络和副边检测电阻；

5、当信号正向传输时，所述原边切换电路与所述原边信号发射电路接通，所述副边切换电路与所述副边信号接收电路接通，所述原边信号发射电路发出调制后的信号，依次经过所述原边阻波网络、所述信号传输通道和所述副边阻波网络传输到所述副边检测电阻上，所述副边信号接收电路通过检测所述副边检测电阻上的电信号实现信号解调；

6、当信号反向传输时，所述副边切换电路与所述副边信号发射电路接通，所述原边切换电路与所述原边信号接收电路接通，所述副边信号发射电路发出调制后的信号，依次经过所述副边阻波网络、所述信号传输通道和所述原边阻波网络传输到所述原边检测电阻上，所述原边信号接收电路通过检测所述原边检测电阻上的电信号实现信号解调。

7、可选地，所述原边补偿网络和所述副边补偿网络均采用lc补偿网络，且二者谐振频率相同。

8、可选地，所述高频逆变电路是由s1～s4四个mosfet管构成的全桥逆变电路，所述整流滤波电路是由vd1～vd4构成的全桥整流电路与滤波电容cf组成。

9、可选地，所述原边阻波网络由电感l1和电容c1并联而成，所述副边阻波网络由电感l2和电容c2并联而成。

10、可选地，所述原边阻波网络和所述副边阻波网络中的元件参数满足：

11、

12、其中，ωp表示系统谐振角频率。

13、可选地，所述第一对极板和所述第二对极板的形状和尺寸相同，所述第三对极板的形状与所述第二对极板相同，但尺寸需根据实际需求通过参数设计而得。

14、基于前文所述系统，本发明还提供一种信号与能量传输极板层叠方式下的ec-wpt系统的串扰抑制方法，其关键在于，按照以下步骤设计信号支路的参数实现能量串扰抑制：

15、s1：根据实际应用需求确定耦合机构形状，第一对极板和第二对极板为能量传输极板，第三对极板为信号传输极板，与第三对极板层叠设置的能量传输极板为共享极板，根据实际需求确定系统的信号载波频率fb0，信号正向传输带宽sb1、信号反向传输带宽sb2、原边信号发射电路信号传输电压us1、副边信号发射电路信号传输电压us2、正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,ofdm)调制所需子载波数n、子载波调制进制数m、能量传输极板间距d5、信号传输极板间距d3；

16、s2：使信号传输极板面积的初始值等于共享能量传输极板面积相等；

17、s3：通过有限元仿真软件获取信号耦合电容cs3及信号传输极板与共享极板之间的交叉耦合电容；

18、s4：绘制信号正向传输增益gs1、信号正向最大传输速率smax1分别与c1、rb1的关系曲面；

19、s5：判定是否存在原边阻波网络电容c1和原边检测电阻rb1满足：

20、

21、如果存在，则进入步骤s6；否则减小信号传输极板面积，返回步骤s3重新进行；

22、s6：选取合适的原边阻波网络电容c1和原边检测电阻rb1；

23、s7：根据确定原边阻波网络电感l1、副边阻波网络电感l2、副边阻波网络电容c2和副边检测电阻rb2，ωp表示系统谐振角频率。

24、可选地，极板p5和极板p6层叠设置在极板p3和极板p4之间，在极板p3和极板p5间的距离与极板p4和极板p6间的距离相等时，交叉耦合电容满足：

25、

26、其中c35为极板p3和极板p5之间的交叉耦合电容，c46为极板p4和极板p6之间的交叉耦合电容，c36为极板p3和极板p6之间的交叉耦合电容，c45为极板p4和极板p6之间的交叉耦合电容。

27、本发明的显著效果是：通过层叠摆放能量传输极板和信号传输极板，配合相应的参数设计方法，可以有效实现能量串扰抑制，使其在较大传输功率环境中实现信号双向高速传输；同时在极板面积受限的一些实际应用情况下，能有效增加电能传输极板面积，有利于提升电能传输性能。