【作 者】朱梦磊

【摘 要】

电场耦合电能传输（Electric-field Coupled Power Transfer，ECPT）技术以电场作为电能传输媒介，具有耦合机构简易轻薄，形状易变，成本低廉；正常工作时不会使极板之间以及附近的导体产生涡流效应；对周围环境产生的电磁辐射小；可以通过金属障碍物传输电能等优势，越来越受到专家学者的重视。

随着该技术日益发展，为了达到更好的电能传输效果，提高系统鲁棒性和系统能效，需要发送侧和接收侧的信息交互来实现闭环控制，此外在许多应用场合中，不仅需实现电能无线传输，还需同时实现控制信号从发送侧向接收侧的传输和监测数据从接收侧向发送侧的回传。目前许多学者已经围绕磁场耦合式电能与信号并行传输技术展开研究并提出一些解决方案，而对ECPT系统的电能与信号并行传输技术研究相对较少。此外，ECPT系统的耦合极板需要高频高压激励才能有效传输电能，因此在实现过程中还需考虑到ECPT系统具有工作频率及系统阶数较高的特点。

本文结合ECPT系统的特点，旨在寻求适用于ECPT系统的电能与信号并行传输方法，以降低电能传输与信号传输间的相互串扰及信号通道复杂度为目标，展开研究工作。文中分析了几种常见的电能变换电路和补偿网络的优缺点，最终以双侧LC网络补偿的ECPT系统为基础，通过加入信号传输极板，构成回路分离式电能与信号并行传输拓扑，随后对三种基本的信号调制方式进行比较，由此确定调制解调策略，并设计对应硬件电路。根据确定的系统拓扑，对其中的非线性环节进行合理的等效，建立系统模型，并根据叠加定理得到等效电能传输拓扑和等效信号传输拓扑，基于交流阻抗法建立所述系统的数学模型，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，分析了系统参数对传输性能的影响，结合解调电路特性及系统功率等约束条件，以提升电能与信号并行传输性能为目标，给出一种系统参数设计方法。

最后在MATLAB/Simulink软件平台中建立了系统仿真模型，并根据所给出的参数设计方法获得系统参数，对建立的等效电能传输通道和信号传输通道拓扑以及推导的电能传输增益及串扰、信号衰减表达式进行了验证，并搭建系统实验装置对获得的理论模型及系统传输特性进行了验证，同时进行了电能与信号并行传输实验，实验中该装置在电能传输功率为21.68W的同时，可以实现波特率在1.2kbps-370kbps范围内的信号稳定传输。

【关键词】ECPT系统，电能与信号并行传输，电能串扰，回路分离

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