基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统

技术领域

本发明涉及无线能量信号并行传输技术领域，尤其涉及基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统。

背景技术

随着智能电网技术的快速发展，为监测高压输电系统的运行性能，大量在线健康监测设备已经在高压输电网络中得到广泛部署。在线健康检测设备需全天候实时运行，而传统的自供电技术采用太阳能或风能为作为能量来源，极易受到不同天气条件、地理位置和安装环境的影响。如今，利用电流互感器通过从高压输电线路周围的磁场中获取能量，已经被证明是一种可靠的持续能量供给方式。进一步地，针对部署在输电杆塔上的在线健康监测设备，利用磁谐振式无线电力传输系统出色的绝缘特性，收集到的能量从高电压侧无线传输到低电压侧，其耦合传输线圈可被嵌入绝缘子内部。受限于绝缘子内部空间尺寸限制，利用多中继结构的无线电能传输系统，可以有效地增加能量传输效率与传输距离。

在多中继无线能量传输系统中，发射器和接收器之间的实时信息通信对于稳定和可控的电力传输至关重要，例如，最大效率跟踪和输出电压调节。传统的射频通信方法，即Wi-Fi、蓝牙、NFC等，无法完全适用于无线电能传输系统，特别是考虑到高压输电线路周围错综复杂的电磁干扰和耦合线圈产生的高频磁场，容易导致接受信号信噪比的降低。此外，这些射频通信解决方案通常伴随着额外的硬件成本、毫秒级的高传输延迟和可能的信息泄露问题。因此，实现多中继线圈结构下的高效能量与高速信息无线并行传输技术，具有重要实践意义。

发明内容

本发明提供一种基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统，解决的技术问题在于：如何以磁耦合方式实现多中继线圈结构下的高效能量与高速信息无线并行传输。

为解决以上技术问题，本发明提供基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统，包括发射端、中继谐振器和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流输入电源、全桥逆变器、发射端谐振器，所述接收端包括顺序连接的接收端谐振器、整流滤波电路、负载电阻R

其中，x被定义为串联电感L

所述发射端还包括信息调制模块，所述信息调制模块用于在传输信息“0”时，控制所述全桥逆变器的工作频率为f

优选的，x、y还满足关系式：

优选的，在所述双频谐振拓扑谐振器中，所述串联电感L

优选的，所述中继谐振器设有N个，N≥1；所述发射端谐振器、N个所述中继谐振器、所述接收端谐振器顺序排列，相邻的两个所述并联电感L

优选的，所述中继谐振器设有3个；系统的参数设计还满足：

Z

其中，等效阻抗：

Z

P

M

优选的，所述发射端谐振器、N个所述中继谐振器、所述接收端谐振器顺序排列采用相同结构的双频谐振拓扑谐振器等距离排布。

优选的，所述接收端还包括信息提取模块与信息解调电路，所述信息提取模块通过电流互感器提取接收侧电流i

优选的，所述全桥逆变器包括四个MOS管S

优选的，所述整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容C

本发明提供的基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统，其有益效果在于：

1、采用双频谐振拓扑结构设计发射、中继、接收谐振器，利用接受线圈电流频率特征表示不同信息字节，同时保持系统在不同工作频率下的高效能量传输与恒定输出电压特性。在不影响高效能量传输与平稳功率输出的前提条件下，实现了系统发射端与接受端之间的高速数据传输。

2、开发了一种紧凑形单双极线圈正交排布结构，以适应绝缘体内部的狭小空间限制，实现了同一谐振单元不同线圈间解耦，简化了双频谐振器的设计复杂度；

3、该系统结构简单，抗干扰性强，无需额外信号源，在多中继线圈结构中利用能量信息化调制，同时实现了高效能量与高速信息的并行传输。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统的电路拓扑图；

图2是本发明实施例提供的双频谐振结构的电路拓扑图；

图3是本发明实施例提供的多中继单双极线圈正交排布的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

本发明实施例提供一种基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统，如图1所示，包括发射端、中继谐振器和接收端，发射端包括顺序连接的直流输入电源、全桥逆变器、发射端谐振器，接收端包括顺序连接的接收端谐振器、整流滤波电路、负载电阻R

如图2所示，双频谐振拓扑谐振器包含相连接的LC并联电路和LC串联电路，LC并联电路包括并联电容C

将ω

基于Z

其中x被定义为串联电感L

ω

无线能量传输效率与谐振器品质因数值成正相关关系，双频谐振拓扑的谐振器在ω

由于涡流效应和趋肤效应的共同影响，双频谐振拓扑谐振器的电气特性，包括每个电路元件的寄生参数，主要受工作频率的影响。因此，在保证信息解调准确与高品质因素的前提下，谐振器的谐振频率应尽可能地接近。此时谐振器参数应满足以下关系式：

以五线圈无线能量信息并行传输系统为例(N＝3，有3个中继线圈)，系统包含发射端、中继谐振器和接收端，发射端包括直流输入电源，其直流输入电压为U

发射谐振器阻抗Z

为简化多中继无线能量信息并行传输系统的分析，发射谐振器，接收谐振器和中继谐振器被设计具有相同的尺寸和匝数。因此，谐振器的线圈自感、线圈内阻、补偿电容和互感被设置为相同的值：

应用基尔霍夫电压电路，多中继无线能量信息并行传输系统的电路模型可以被建立为：

忽略各谐振器线圈电阻，多中继无线能量信息并行传输系统可以被进一步简化为双端口等效模型，其系统戴维宁方程可被表示为：

U

其中，Z

其中，(10)中P

R

多中继无线能量信息并行传输系统可以同时实现恒定电压输出(ConstantVoltage,CV)与输入电压电流零相位角(Zero Phase Angle,ZPA)，当系统工作频率满足以下关系式：

Z

系统电压增益G

系统输出电压增益大小与系统工作频率无关，双频谐振多中继无线能量信息并行传输系统的恒定输出电压在两个工作频率下相等。因此，在采用逆变器频率键控调制技术条件下，保持系统输出电压保持稳定。

在双频谐振拓扑谐振器中，串联电感L

如图3所示，五个内嵌线圈顺序排列，结构相同，距离相同，但相邻的两个并联电感L

发射端还包括信息调制模块，信息调制模块用于在传输信息“0”时，控制全桥逆变器的工作频率为f

信息由能量发射端传输到能量接收端，信息调制方法通过控制逆变器采用频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)进行功率调制。当传输信息为“0”时，逆变器工作频率为f

f

接收端还包括信息提取模块与信息解调电路，信息提取模块通过电流互感器提取接收侧电流i

综上，本发明实施例提供的一种基于双频谐振结构的多中继无线能量信息并行传输系统，其有益效果在于：

1、采用双频谐振拓扑结构设计发射、中继、接收谐振器，利用接受线圈电流频率特征表示不同信息字节，同时保持系统在不同工作频率下的高效能量传输与恒定输出电压特性。在不影响高效能量传输与平稳功率输出的前提条件下，实现了系统发射端与接受端之间的高速数据传输。

2、开发了一种紧凑形单双极线圈正交排布结构，以适应绝缘体内部的狭小空间限制，实现了同一谐振单元不同线圈间解耦，简化了双频谐振器的设计复杂度；

3、该系统结构简单，抗干扰性强，无需额外信号源，在多中继线圈结构中利用能量信息化调制，同时实现了高效能量与高速信息的并行传输。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。