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基于共享通道的电场耦合式电能与信号并行传输技术研究

Research on Electric-field Coupled Power and Signal Parallel Transmission Technology via a Shared Channel

【作 者】周玮

【摘 要】

电场耦合式无线电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT)技术是一种以高频电场作为能量传输介质,综合利用电力电子技术、谐振补偿与控制等技术,实现无直接电气连接的电能传输技术。ECPT系统采用金属极板作为耦合机构,该特点使得ECPT系统具有耦合极板体积小、重量轻、设计灵活度高、机构耗材量低等优点。同时系统工作时绝大部分电场均集中于耦合极板之间,使得系统整体电磁辐射较低。此外由电场理论可知,ECPT系统具有可穿越金属障碍物供电的特性,并且系统电场在极板间以及周围的金属上形成的涡流极小。

对于现有的大部分ECPT技术的应用场合而言,除了需要实现由电源向用电负载的无线供电之外,实现发射端和接收端之间稳定可靠的通信连接也是必不可少的。一方面,设计优良的ECPT系统通常需要具有输出电压反馈控制,负载检测,电池状态监控,自动调谐和多控制器同步等功能,系统原副边之间的通信则有助于实现上述功能需求并提升系统整体性能;另一方面,在实际工程应用中ECPT系统用电设备与原边的数据交互也被广泛需求,例如钻井系统钻头的转速和温度数据向地面控制平台回传以及电动汽车电池信息回传等,系统原副边信号传输能够满足这类工程需求。

由于无线信号传输功能有助于提升ECPT系统的自身性能以及工程实用性,本文针对ECPT系统,围绕共享通道式电能与信号并行传输技术展开研究,在不影响ECPT系统电能传输的前提下,实现了原副边之间的信号传输。

具体而言,本文主要做了以下研究工作:

针对ECPT系统对电能与信号并行传输的一般性需求,提出了一种基于网络阻抗隔离的电场耦合式电能与信号并行传输(Electric-field Coupled Power and Signal Transfer, ECPST)方法。主要围绕半双工和全双工两种ECPST系统建立了电能传输通道模型、信号传输通道模型以及电能串扰模型。针对半双工系统,基于模型分析了系统信号支路参数对电能与信号并行传输性能的影响并给出了信号支路参数设计方法。针对全双工ECPST系统的同侧信号串扰的问题,通过构建模拟串扰信号的方式,提出了一种信号串扰抑制方法。基于系统模型分析了全双工系统信号支路参数对电能与信号传输性能的影响并给出了信号支路参数设计方法。最后建立了系统仿真模型并搭建了实验装置验证了该方法的电能与信号传输特性、网络阻抗对电能串扰的隔离效果、模拟串扰信号对同侧信号串扰的抑制作用。

针对现有无线电能与信号并行传输系统电路对电能串扰的隔离效果不仅受到信号支路参数的影响,还受到系统电能通道参数影响的问题,提出了一种基于电感频域阻抗隔离的电能与信号并行传输方法。围绕电感元件分析了电感寄生参数间的连接关系并建立了电感元件的等效电路网络,基于该网络建立了电感频域阻抗数学模型。根据模型分析了最大阻抗频率点(Maximum Impedance Frequency, MIF)与线圈几何参数以及线圈匝数的关系,并给出了固定MIF条件下的电感在不同频率点的阻抗与线圈几何参数和匝数的关系曲线。给出了一套仅与电能谐振频率和信号载波频率相关的ECPST系统电感频域阻抗参数设计方法。利用电感元件在电能谐振频率点以及信号载波频率点的高阻抗实现了电能与信号的串扰隔离效果不受其他参数影响,同时使得信号支路参数可独立设计。最后通过仿真与实验验证了该方法的电能与信号通道的传输特性,以及系统电能串扰隔离效果。

针对现有信号传输所采用的以正弦波载波为调制对象的方法对信号传输速率的限制,以及ECPT系统在一些应用场合中对高速信号传输的需求,提出了一种基于方波信号调制的电能与信号并行传输方法。主要围绕半双工和全双工两种基于方波信号调制的ECPST系统建立了电能传输通道以及电能串扰模型。分析了信号传输通道的频域特性,根据信道的高通低阻特性建立了信道的简化模型并给出了方波激励下信道响应的时域表达式。根据系统模型以及信道响应表达式给出了ECPST系统信号支路的参数设计方法。最后通过仿真和实验验证了该方法在信号低速传输和高速传输情况下的电能传输与信号传输效果。

针对ECPST系统参数设计方法给出的参数并非全局最优解的问题,以一种高阶的双侧LCL型ECPST系统为例,进一步提出了一种通用的ECPST系统多约束条件下的多目标优化方法。建立了综合考虑电能传输特性、信号传输特性以及电能串扰特性的优化目标函数,以衡量ECPST系统的传输性能。建立了综合考虑系统合理参数区间以及元件电气性能的优化约束条件,与目标函数一起构建了多约束多目标优化模型。基于第二代非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II),改进了算法中随机数生成、子代种群生成以及父代种群交叉等环节的算法模块,求解了优化模型并给出了Pareto前沿集合。最后通过建立仿真模型和搭建实验平台验证了优化算法给出的参数组合下ECPST系统电能与信号传输的高增益性和电能串扰的高衰减性。

【关键词】无线电能传输,电场耦合,能量与信号并行传输

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