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既能低频通信、又能高效传输无线电能的新技术!适用于海洋等领域

New technology that can communicate at low frequencies and transmit radio energy efficiently! Applicable to Marine and other fields

作者:本站  来源:转载  浏览:58  发布时间:2024-03-18

研究背景

       根据无线通信的实现方式,近场耦合式无线电能与信息同步传输技术可主要分为“调制信号注入式”、“独立耦合通道式”和“能量调制式”三大类。在如空地太阳能传输、海洋等高电导率富水介质等特殊应用场合,基于低能量的高频载波工作方式通信可靠性低,而能量调制式可靠性较高。
论文所解决的问题及意义
       本文通过研究在不同频率输入激励下系统发射线圈的电流特征,提出了一种基于移相调制的无线电能与信息同步传输技术。在通信状态下,通过降低逆变器工作频率构造低频通信载波并通过控制移相角完成信息调制,以基波传输信息,3次谐波传输电能。本文所提方法可在基于低频电磁波通信的同时实现高效率的无线电能传输,在海洋等高电导率介质场合中具有应用优势。
论文方法及创新点

1)工作在不同频率下时的发射线圈电流特征

图1 不同工作频率发射线圈电流分量构成
       高频逆变器工作于谐振状态时(fr=150kHz),发射电流主要含有基波且幅值最大,如图1(a)所示;当降低工作频率为fr/3时,生成了基波和其他高次谐波,此时3次谐波分量幅值最大,如图1(b)所示;同理,当降低工作频率为fr/5时,生成了基波和3次谐波等其他高次谐波,此时5次谐波分量幅值最大,如图1(c)所示。由此可见,降频可在发射线圈中生成低频分量用于通信,与系统谐振相同的高频分量可用于给负载供电。
2)移相角对各次谐波的影响分析



图2 移相角α对发射电流中各次谐波的影响
       以逆变器工作频率为fr/3为例,分析移相角α对发射电流中基波和3次谐波的影响。可见随着α变大,发射电流中基波含有率σ1先增后减,而σ3先减后增,如图2(a)所示;由图2(b)可知,α可有效调节发射电流中基波和3次谐波的幅值。因此选择以基波为通信载波,控制α对其幅度进行调制易于实现信息传输,此外,为了保证功率传输的稳定性,α的选取应尽量使3次谐波幅值保持不变。
3)供电与通信之间的串扰分析
       由于接收侧同时接受基波和3次谐波能量,这使得供电与通信回路间存在一定的串扰。可以得到,噪声电压峰值远低于有效电压峰值,且通过合理的选取信号检测回路电感参数可以有效调节噪声电压,可实现供电与通信之间的弱耦合控制,如图3和图4所示。


图3 负载回路


图4 信号检测回路

4)实验验证
       搭建了实验平台以验证所提方案的可行性,如图5(a)所示;图5(b)示出了实验所测关键波形,信息调制对负载电压无显著影响,信号电压的幅值包络可以被很好地检测到。此外,当系统相关参数发生改变时(输入电压、负载电阻、耦合线圈相对位置)系统仍能保持正常工作,实验结果验证了所提方案的可行性。



图5 实验平台及实验结果
结论
       本文提出了一种基于移相调制的无线电能与信息同步传输技术。通过降低逆变器工作频率,在发射线圈中生成基波分量做为低频通信载波,并通过控制移相角完成信息调制传输信息,利用3次谐波分量传输电能。搭建的实验平台验证了本文所提方案的可行性,在基于低频电磁波通信的同时实现了较高效率的电能传输,在海洋等对电磁载波频率敏感的场合中优势明显。