基于电场耦合的电能信号并行传输系统串扰抑制方法

针对较大功率电场耦合无线电能传输系统信号双向高速传输的需求,该文提出一种基于部分能量通道的电能与信号并行传输系统的串扰抑制方法。通过对所提出的系统拓扑进行分析,给出了电能传输增益表达式与电能串扰增益表达式,并分析了阻波电路参数变化对电能串扰增益的影响;基于交流阻抗法及香农定理分别给出了信号传输增益及信道容量表达式,分析了信号支路参数对信道容量的影响;在综合考虑信号传输增益、信道容量及阻波电路参数敏感性的情况下,给出系统信号支路参数的设计方法。该方法能保证系统在较大功率下降低电能串扰,保障信号稳定传输,实现信号的双向高速传输。通过仿真与实验验证了所提出的拓扑和参数设计方法的有效性。搭建的实验装置实现了传输530.4 W的电能,23.28 Mbit/s信号正向传输速度和24.2428 Mbit/s信号反向传输速度。

基于谐波通讯的无线电能与反向信号同步传输技术

针对现有无线电能与反向信号同步传输(simultaneous wireless power and reverse signal transmission,SWPRST)系统存在较大无功功率、负载电压易受信号传输发生波动或需要额外增加高频信号源等问题,提出一种基于谐波通讯的SWPRST技术,通过利用逆变器输出方波电压中的基波分量传输电能,三次谐波分量传输信号。不需要外加高频信号发射电路,实现了可靠的电能与反向信号同步传输。首先,给出基于谐波通讯的SWPRST系统结构,对其工作模式和基本原理进行分析;接着,建立系统等效数学模型,分析系统参数取值对信号与电能传输之间的互扰影响;然后,对信号的调制解调电路进行设计,分析信号检测通道参数对信号传输速率的影响;最后,搭建实验平台对理论分析进行验证,实验结果表明,该方法在有效实现了无线电能与反向信号同步传输的同时,信号无误码率传输速率可达5 kbps,同时系统具有无功小,输出负载电压几乎无波动(电压波动率0.33%)等优点。该方法采用谐波作为信号载体,为多频利用式实现电能与反向信号同步传输系统提供一种新的思路,具有较好的理论意义与实际工程应用价值。

信号与能量极板层叠方式下的电场耦合式无线电能传输系统

为了提升共享部分能量通道式的电能与信号并行传输系统在传输极板面积受限的应用场合中的能量传输性能,并实现信号双向高速传输,提出一种信号传输极板与能量传输极板层叠方式下的电场耦合式无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)系统,给出系统拓扑及串扰抑制方法。基于交流阻抗分析法及香农第二定理,建立电能串扰增益、信号传输增益、信号最大传输速率及电能传输增益的数学模型,分析交叉耦合电容对电能串扰增益及信号传输的影响;以降低交叉耦合电容对信号传输增益及信号最大传输速率的影响为目标,给出层叠方式下EC-WPT系统信号传输极板面积及信号支路参数的设计方法。仿真与实验验证了所提出的系统及给出的方法能在较大传输功率下实现系统的信号双向高速传输。所搭建的实验装置实现了在系统输出功率达到520.2 W时,信号正向传输速度为18.64 Mbit/s和信号反向传输速度为19.36 Mbit/s。

多逆变器模块并联驱动的大功率无线电能传输系统研究

针对传统单个逆变器驱动的无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统输出功率有限的问题,提出了一种多逆变器模块并联驱动的大功率WPT系统,并对多逆变器模块并联的拓扑结构和各模块间的环流进行了分析。为了解决逆变器并联时产生的环流问题,提出了基于主从策略的相位同步控制方法,通过从逆变器输出电压和发送端电流相位差同步于主逆变器输出电压和发送端电流相位差实现逆变器模块间的相位差补偿。研制了三个逆变器模块并联驱动的WPT系统样机,实验结果表明,在500 V直流输入时,负载端获得功率约为20 kW,传输效率达94%,且各逆变器输出电压相位实现同步,证明了相位同步控制方法的有效性。

基于分离通道的同步无线能量信息传输系统优化

针对单通道能量信息并行传输系统信息传输速率较低、能量传输损耗大、系统设计方法复杂等问题,本文在已有研究的基础上,基于互感耦合理论,设计了一种利用新型的多线圈磁耦合机构实现能量传输系统和信息传输系统分离设计的新方案。多线圈磁耦合机构作为电能和信息传输的通道,可以传输不同频率、不同幅值的电能和信号。数字信息经幅移键控调制后加载到信息传输回路中,在不影响能量传输的前提下,实现信息的实时、双向、高速率传输。通过有限元分析软件对所设计的磁耦合机构进行磁场特性分析,利用仿真软件分析能量传输系统的关键电气参数变化,以及电能传输对信息传输的干扰,确定所提方案的可行性,最后搭建实验平台验证所提方案的正确性。在能量传输频率100 kHz、正向信息载波频率1381 MHz、反向信息载波频率1923 MHz的情况下,实现了能量传输效率8935%、正向信息传输速率4289 kbps、反向信息传输速率5999 kbps的能量信息并行双向传输。

基于三级式可扩展多模块并联架构的低压大电流高距径比无线电能传输系统

在低压大电流高距径比磁谐振式无线供电场合,由于传输线圈间的耦合系数很小,因此功率器件和谐振元件的电流很大,导致系统损耗大,难以优化设计。为此,文中提出一种三级式可扩展多模块并联无线电能传输系统架构,利用基波分析法对双模块并联系统建模并分析其传输特性。为提升系统效率,对比3种输出级结构及其控制策略并遴选出一种最优拓扑。进一步地,提出线圈级具体参数设计方法以减小电压电流应力并实现输入级软开关。最后搭建一台距径比为1(30 cm/30 cm)的1 kW原理样机验证理论分析,对比3种不同输出级拓扑的性能。实验结果表明,系统最高效率可达75.2%。

信能同传网络中基于能量的中继选择方法研究

针对中继节点能量受限的无线信能同传中继网络,中继节点可以从源节点的射频信号补充能量,并采用中继选择的方法,来延长中继网络的生命时间。首先,构建了中继网络性能约束条件下的能量受限中继节点处最小额外能量的优化目标,并将优化目标分为三个子问题进行求解,提出了通过动态调整功率分离因子来最优化中继节点处所需最小额外能量的方法;其次,通过仿真验证了所求出最优功率分离因子的有效性;然后,基于中继节点需要消耗的电池能量以及电池剩余能量,提出了两种能量意识的中继选择方法,分别是最小损失能量策略和最小损失能量比率策略;最后,通过仿真表明,最小损失能量比率策略优于最小损失能量策略,延长了网络生存周期,并提升了系统性能。

“信号与系统”课程科教融合型教学案例探索

将“信号与系统”课程中“连续周期时间信号的频域分析”这一知识点与科研课题“无线电能传输的谐波分析”相结合,形成一个典型教学案例。探索在科教融合理念下,“信号与系统”课程教学与人才培养的有效途径。基于科教融合协同育人的思想,引导学生锻炼科学思维、提高学生发现并解决问题的能力;通过科研反哺教学,加深学生对课堂知识的理解和应用能力。

基于激活函数的LCC-S型无线电能传输系统建模和稳定性分析

基于电力电子器件的无线电能传输(WPT)系统是一种开关系统,其大信号模型是研究系统运行特性和稳定性的基础。建模的关键是如何描述系统中的非线性、离散开关变量,为解决这一问题,该文提出一种基于S型激活函数的建模方法。S型激活函数是连续、平滑、可微的且在一定值时具有饱和特性,因此可利用陡度因子较大的激活函数来近似开关的切换过程,将WPT系统由离散的开关系统转变为连续系统。该文以LCC-S型WPT系统为研究对象,构建其开环和闭环模式下激活函数模型,利用该模型分析控制器参数和系统参数对瞬态行为和稳定性的影响,并通过仿真和实验进行验证。结果表明,所构建的模型与仿真和实验结果吻合较好。该模型数学表达式结构简单统一,物理意义明确,是一个具有普遍意义的高精度大信号连续模型。

同轴旋转型MC-WPT系统电能与信号并行传输方法

针对同轴旋转型MC-WPT系统,提出一种基于同轴环形六绕组耦合机构的电能与信号并行传输方法。首先,建立六绕组耦合机构数学模型,给出电能与信号传输通道间的交叉耦合参数表达式。其次,结合有限元仿真,分析各绕组相对位置关系与电能与信号通道交叉耦合之间的关系,并在此基础上给出通道间实现解耦的条件。随后,分析并设计系统电能传输部分的补偿网络参数与特性,给出信号传输部分的信号发射与接收电路结构。最后,搭建MC-WPST系统实验原理样机,实验结果显示,所提出六绕组耦合机构对电能串扰以及开关噪声的基波部分有较好的抑制作用,在系统输出功率为150 W时实现了基于幅移键控的速率为19200 bit/s的信号传输。

基于信号线圈的多无人机身份识别方法研究

无线电能传输技术摆脱了物理介质的束缚,具有灵活、可靠、安全等优点,在无人机领域应用越来越广泛。无人机无线充电系统中常采用的Zigbee、蓝牙、WiFi等广域通信方式接入时间较长,存在非“点对点”传输情况,不具备身份识别功能,无法应对多无人机及多机舱环境。提出了一种基于信号线圈的多无人机身份识别方法,仿真研究2套耦合机构之间交叉耦合影响,设计了一套应用于多无人机及机舱环境下能量信号同步传输的无线电能传输系统。最后搭建了无人机无线电能传输系统进行实验验证,实验结果表明基于信号线圈可以快速有效进行无人机及机舱的身份识别,可识别无人机身份的点对点近场通信方式以应对多无人机无线充电场景,能量信号同步传输的分离通道传输模式具有两通道物理结构独立,避免传统通信方式干扰,保障充电的安全性与可靠性。。

动态IPT系统后级稳压器的小信号模型修正和改进控制策略

针对单轨动态无线供电系统,在考虑整流桥前的电流断续及副边谐振电路寄生参数的影响下,分析了整流电压与负载的关系,指出因负载变化导致的整流电压大范围波动给后级稳压器的建模和闭环参数设计带来了挑战。为使后级稳压器小信号模型描述得更为准确,考虑了副边谐振电路的影响,引入幅值/频率修正系数,对后级稳压器小信号模型的低频段增益和中频段谐振峰频率进行了修正。在此基础上,为进一步提高系统的变负载动态响应能力,提出加入整流电压前馈环节。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性和所提方案的有效性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究

磁耦合谐振式无线电能传输系统具有传输效率高、距离远、功率大的特点。针对串并式模型(Series-Parallel Model,SP)进行分析,从等效电路的角度研究系统传输效率及输出功率与线圈距离、工作频率、负载电阻之间的关系,得到效率及功率的表达式。通过Matlab仿真,发现在只改变系统频率的情况下最佳效率工作频率与最大功率工作频率重合,且输出功率对频率的变化更为敏感。设计制作了一套串并式结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证了前述分析的正确性。

基于频域分离解调的复合信源无线电能与信号并行传输技术

提出了一种并联LC隔离型电场耦合式无线电能与信号并行传输电路拓扑。该拓扑依靠自身阻抗特性实现了绝大部分电能串扰的隔离。同时,该拓扑具有较宽的信道通频带宽,克服了目前已有电能与信号并行传输系统中信道通频带宽窄的问题。充分利用该带宽,以多路复合信源作为信道输入,采用快速傅里叶变换算法对信道输出信号进行频谱分析,在频域中实现了低频串扰与多路复合高频信号的分离和电能串扰频谱干扰下的多路复合信号解调,从而提升了信号传输速率与抗干扰能力。通过仿真与实验验证了该方法的正确性与有效性。

基于方波载波占空比调制的ECPT系统能量信号并行传输技术

建立电场耦合无线电能传输系统(ECPT)数学模型,并分析其信道的频域特性。在该特性基础上,针对信道频带宽度有限以及信号传递速率低等问题,提出一种基于方波载波占空比调制的能量信号并行传输方法,并给出具体信号调制与解调流程。该方法进一步扩展了信道带宽,简化了信号调制难度,提升了信号传递速率,降低了信源开关频率,并简化了信号及能量波形的分离环节。通过构建Matlab仿真模型并搭建硬件实验装置,验证了本方案的可行性与有效性。

多相并联的15kW无线电能传输系统

设计了一种耦合电感的循环级联方法来实现多相逆变之间的电流平衡,并分析了耦合电感参数对系统性能的影响;对多相并联下系统主要的功率损耗进行了分析,以解释在大输出电流条件下多相系统具有较低损耗的原因,开发了6相D类半桥逆变并联的原型机对系统性能进行验证。实验表明该方法能够将相间电流不平衡控制在较好的范围之内。使用2个外边长90 cm×70 cm的4圈的平面矩形螺旋线圈,在距离20 cm时进行无线电能传输。当接收端整流桥后的6.87Ω负载上获得15 k W的功率时,测得发送端直流输入到接收端直流负载的DC-DC效率为94.7%。

磁谐振无线输电系统不同补偿方式的传输特性

在无线电能传输领域,如何根据传输距离和负载要求获得最佳输出功率和传输效率是首要研究目标。从系统的谐振补偿方式角度入手,应用互感耦合理论对磁谐振无线输电系统中串-串和串-并2种补偿方式的传输特性进行了研究。首先,根据理论推导对2种谐振补偿方式的传输特性随系统参数的变化关系进行了仿真分析。然后,将2种补偿方式在不同负载和传输距离条件下的传输特性进行了比较。研究结果表明:根据不同负载大小和传输距离要求,选择合适的谐振补偿方式可使系统具有最佳的输出功率和传输效率。最后设计制作了一套磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证了研究结论的正确性。

基于FFT解调的ECPT系统全双工通信技术研究

电场耦合无线电能传输(ECPT)技术以其耦合机构轻便、系统电磁辐射小以及周边金属涡流效应小等优点,成为无线电能传输领域的研究热点。在ECPT技术的应用过程中,有时不仅需要实现原副边的无线电能传输,还需要实现电能原副边的全双工无线信号传输。目前无线电能与信号并行传输系统中信号解调环节均采用模拟电路实现滤波与解调,该方法电路设计复杂、通用性能差、抗干扰能力不足。针对上述问题,本文提出一种基于FFT运算的频域解调方法。该方法将叠加于系统中的双向信号载波以及低频电能串扰信号映射至频域中,依靠其频域的分离特性,解决了低频电能串扰对信号解调的干扰问题,同时实现双向信号的实时解调。最后通过仿真与实验验证了该方法的正确性与有效性。

基于电场耦合式电能传输系统的电能与信号回路分离式并行传输技术

在电能与信号并行传输过程中,为了降低电能传输与信号传输间的相互串扰及信号通道的复杂度,提出一种基于电场耦合式电能传输系统(ECPT)的电能与信号回路分离式并行传输方法,并给出系统的拓扑;基于交流阻抗法建立所述系统的数学模型,并给出电能传输增益、信号传输衰减以及电能串扰的数学表达式,在此基础上给出系统参数设计方法。该方法通过建立相对独立的电能与信号传输回路并依靠其自身阻抗特性,在不改变电能传输能力的前提下可减小电能传输对信号传输的串扰,并降低电路复杂度。通过仿真和实验验证了该方法的有效性,搭建的系统实验装置可实现在1.2~115.2 kbit/s范围内的电能与信号并行传输。

CCPT系统中基于副边阻抗调制技术的反向信号与能量叠加传输技术研究

为了解决金属环境条件下的无线供电和信号传输需求,提出了一种基于电容耦合方式的无线能量和信号并行传输方案。通过建立E类放大器的数学模型,分析电容耦合系统的传输特性和阻抗影响机理,设计了适用于E类放大器结构的调制与解调电路,并通过仿真验证了电路的可行性,为CCPT系统从能量传输到信号回传提供了系统性的理论指导。