基于双谐振带电路的双向能信同传WPT系统及其控制方法与流程

本发明涉及无线能量信号同传，尤其涉及一种基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统及其控制方法。

背景技术：

1、无线电能传输技术(wpt)是一种借助于软介质实现电能以无线方式进行传递的新兴技术，随着物联网时代的到来和智能电网巨大的市场前景，无线电能传输技术(wpt)在市场中受到越来越多的青睐。它利用高频磁场、电场和超声波等中间载体将能量以电气隔离的方式从电源传输至用电设备，与传统供电方式相比，具有安全、便捷、灵活等优点，在生活中各种场合都得到应用，如无尾家电、医疗器械、电动汽车等。

2、电网端供电总量是不变的，而用电端存在高峰期和低谷期，用电高峰期一般是在白天，电能供给可能不够，晚上则是低谷，电能又存在一定的浪费。如此庞大的电动汽车数量，增强其与电网的能量互动，即电动汽车到电网技术(vehicle to grid，v2g)，在晚上的用电低谷期用于供给电动汽车充电，白天高峰期闲置的电动汽车将能量回馈到电网端，以此来削峰填谷，提高电能利用率，实现能量更均衡有效的利用。如果电动汽车与电网两者间的充放电过程均采用mc-wpt技术，无疑会提升电动汽车与电网的交互能力，使得整个系统更加方便、高效、灵活和可靠，从而更加智能和充分地发挥v2g的作用。因此，对双向磁耦合无线电能传输(双向mc-wpt)技术的研究需求越来越迫切。

3、在双向wpt系统中，发送端和接收端之间的实时信息通信对于稳定可控的能量传输至关重要。在实际应用当中许多产品需要配套的通信系统，针对无线电能传输系统，传统的设计方案会增加额外的wifi等通信模块，系统需要额外的空间来布置天线，对于对体积要求较为严格的场合，设计一种能够利用电能传输通道传输信息的方法显得十分必要。

技术实现思路

1、本发明提供基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统及其控制方法，解决的技术问题在于：如何利用电能传输通道实现能量信号的双向同传。

2、为解决以上技术问题，本发明提供基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统，包括电网侧和负载侧；所述电网侧包括顺序连接的原边直流电源(up)、原边逆变电路、原边双谐振带电路、与所述原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路，以及连接所述原边逆变电路和所述原边信号检波电路的原边控制器；所述负载侧包括顺序连接的副边双谐振带电路、副边逆变电路、副边直流电源(us)、与所述副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，以及连接所述副边逆变电路和所述副边信号检波电路的副边控制器；

3、当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通；

4、当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通；

5、频率f1和f2为系统工作在频率ωp时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f1或f2中。

6、具体的，所述原边双谐振带电路包括原边lc串联支路和原边lc并联支路，所述原边lc串联支路由串联在所述原边逆变电路的一个输出端与所述原边lc并联支路的一输入端之间的原边电感lps和原边串联电容cps组成，所述原边lc并联支路由并联的原边并联电容cpp和原边线圈lp组成；

7、f1和f2满足：

8、

9、其中，表示系统的工作角频率，ωl、ωh分别为系统工作在ωp时低频段和高频段的谐振角频率，x、y是为简化ωl、ωh表达形式自定义的参数，f1和f2为与ωl、ωh对应的谐振频率。

10、具体的，x、y的设计满足：

11、

12、具体的，所述副边双谐振带电路与所述原边双谐振带电路对称设计。

13、具体的，所述原边信号检波电路包括串联在所述原边逆变电路的两个输出端之间的原边开关管sp5和信号检波电路，所述原边开关管sp5的控制端连接所述原边控制器。

14、具体的，所述副边信号检波电路与所述原边信号检波电路对称设计。

15、本发明还提供一种基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统的控制方法，其关键在于，包括步骤：

16、当需要能量与信号从所述电网侧传输到所述负载侧即正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通；

17、当需要能量与信号从所述负载侧传输到所述电网侧即反向传输时，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通；

18、频率f1和f2为系统工作在频率ωp时所述原边双谐振带电路或副边双谐振带电路对应的两个谐振频率，待传输的信号调制在其中一个频率f1或f2中。

19、进一步地，该方法还包括步骤：

20、当需要实现能量的正向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在整流模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

21、当需要实现能量的反向传输时，所述原边控制器控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器控制所述副边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式。

22、进一步地，在系统开启时，默认系统处于能量正向传输工作模式，此时所述电网侧需要向所述负载侧发送信号时，则切换系统至能量与信号正向传输工作模式，具体切换过程为：

23、所述原边控制器控制所述原边逆变电路先切换至工作频率ω1经过预设时间段后再切换回工作频率ωp进行信号调制，所述副边控制器检测到副边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述副边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通，所述副边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。

24、进一步地，在能量与信号正向传输工作模式下，若所述副边信号检波电路接收的信号为反向信号则需要将系统切换至能量反向传输工作模式，具体的切换过程为：

25、所述原边控制器在发出所述反向信号预设时间段后控制所述原边逆变电路工作在整流模式并控制所述原边信号检波电路关闭，所述副边控制器在解析出所述反向信号时，控制所述副边逆变电路工作在频率为ωp的逆变模式并控制所述副边信号检波电路关闭；

26、在能量反向传输工作模式下，此时所述负载侧需要向所述电网侧发送信号时，则切换系统至能量与信号反向传输工作模式，具体切换过程为：

27、所述副边控制器控制所述副边逆变电路先切换至工作频率ω1经过预设时间段后再切换回工作频率ωp进行信号调制，并控制所述副边信号检波电路关闭，所述原边控制器检测到原边输出电压电流的变化与预设变化是否符合，若否则不作为，若是则控制所述原边信号检波电路以信号传输频率f1或f2开通，所述原边信号检波电路接收信号，切换系统至能量与信号正向传输工作模式。

28、本发明提供的基于双谐振带电路的双向能信同传wpt系统及其控制方法，通过将原副边补偿网络设计为双谐振带电路，使系统在只需要传输能量时在两个不同频率下都能保持较高的双向能量传输效率，并设置与原边双谐振带电路并联的原边信号检波电路和与副边双谐振带电路并联的副边信号检波电路，从而在需要信号传输时将双谐振带电路其中一个频率用于信号传输另一个频率继续传输能量，通过双谐振频率交替进行系统能量和信号同步传输，通过信号检波电路进行信号接收，实现利用电能传输通道实现能量信号的双向同传，并且该系统能主动发送指令来控制能量与信号的传输流向。