电动汽车无线能量与信息同步传输的耦合机理及干扰特性研究

The accuracy and stability of the wireless information transmission is the key to efficient and safety of wireless power transmission for electric vehicles. Aiming at the multiple interference problems of the coupled transmission of high-power wireless power and information of electric vehicles, using theoretical modeling, system simulation and experimental testing methods to research the coupling mechanism of power and information coupling transmission, the optimal parameter design problem of multi-target resonant compensation network, the characteristics of real-time interference and the frequency characteristics of sub-carriers. Reveal the directional coupling interference characteristics when wireless power and information of electric vehicles are synchronously transmitted. Establish the coupling mechanism of power-information coupling transmission that meets multiple targets. Mathematical relationship between parameter design methods of resonant compensation network and coupling disturbance characteristic parameters. Establish the real-time characteristic parameter prediction model of interference characteristics comprehensively considers the signal carrier power allocation algorithm and completes the selection of the best sub-carrier frequency. From the two perspectives of power transmission and information transmission, the correctness of the coupling mechanism and the coupling interference model are verified. The research results will enrich and develop the interference analysis theory of wireless power and information transmission in electric vehicles, laying a good foundation for the safe, stable and efficient design of high-power wireless charging systems for electric vehicles.

无线信息传输的正确性和稳定性是决定电动汽车大功率无线充电系统的高效性与安全性的关键环节，针对电动汽车大功率无线能量与信息同步传输的耦合干扰问题、能量与信息耦合传输的耦合机理以及多目标谐振补偿网络的最佳参数设计问题、实时干扰特性及通信子载波频点的分配问题，采用理论建模、数学推导、算法设计、系统仿真和实验测试等方法进行联合研究。揭示电动汽车无线能量与信息同步传输时的全方位耦合干扰特性；分析满足多目标的能量与信息同步传输的耦合方法及谐振匹配网络参数的设计方法与耦合干扰特征参数之间的数学关系；建立耦合干扰特性的实时预测模型，综合考虑信号载波的功率分配算法，完成最佳子载波频点的选择。从能量传输和信息传输两个角度分别验证了所研究的耦合机理及耦合干扰特性模型的正确性。研究成果将丰富和发展电动汽车无线能量和信息同步传输的干扰分析理论，为电动汽车大功率无线充电系统的安全、稳定和高效设计打下良好的基础。

本项目以WPT系统的谐振补偿网络参数设计方法及无线能量与信息同步传输的耦合结构和参数设计方法为研究对象，重点研究了变结构式的谐振补偿网络结构和参数设计方法及两种适用于较大功率无线能量与信息同步传输的耦合架构和相应的耦合干扰特性、电路参数设计方法，具体开展了以下工作：研究了基于磁谐振耦合无线携能通信系统的能量传输机理，分析了能量传输效率的影响因素，以及耦合线圈结构、匝数、距离对能量传输的影响；针对无线能量与信息同步传输问题，提出了两套适用于较大功率无线能量与信息同步传输的系统结构。第一种是单线圈双谐振机构，通过建立模型分析了该结构下携能通信系统能量传输功率、信号传输带宽及能量传输通道与信号传输通道的串扰等性能指标的影响因素，得到了该结构的电路参数设计与影响因素之间的制约关系。第二种是感应高频载波式的携能通信体系架构，通过分析在不同谐振补偿网络及不同加载位置时的能量和信号的干扰特性，以最小化干扰特性为目标提出了一种基于加参数的 LCC 谐振补偿网络的携能通信体系结构。在信息传输设计角度提出了一种基于注水定理的 OFDM 频率分配方法；根据所提出的系统结构和设计方法，完成了一套距离 1 米，能量传输 1kW，信息传输速率 1.9Mbps的携能通信实验，验证了所提出的结构的可行性和有效性。