Revision: Wireless power and information dual transfer system via magnetically coupled resonators

Teoria explicada

LA Transferencia de energía inalámbrica de rango medio y alta eficiencia mediante resonadores acoplados magnéticamente

. 1 Diagrama esquemático del sistema MCR-TIP. a) Con enlace de datos independiente.

 b) El concepto original de la tecnología WPIDT.

 c) Un esquema WPIDT práctico mediante la multiplexación de reguladores CC-CC en cascada para transmisor de datos. 

La línea roja indica la ruta del flujo de energía y la línea azul indica la ruta de transmisión de datos

La transferencia de energía inalámbrica de rango medio de alta eficiencia mediante resonadores acoplados magnéticamente requiere un enlace de datos inalámbrico entre las bobinas sin contacto para regular la energía.

 La multiplexación del canal de transferencia de energía como canal de información es una solución rentable para la comunicación.

Añadir dispositivos de comunicación inalámbricos adicionales a un sistema MCR-WPT aumenta no sólo el coste sino también el riesgo de interferencia espacial

 La modulación de cambio de carga (LSK) es un método común para la transmisión ascendente en dispositivos IPT que cumplen con el estándar Qi13

Electronica de potencias

Matematicas de la onda cuadrada generada

Graficas del tratamiento de la señal

MAtematicas de los parametros de dispersion

Funcionamiento de prototipos

En el método PSDM,

evaluamos el rendimiento de transferencia de energía del sistema

 modulación dual de potencia y señal con portadora única (PSDM-SC), 

Modulación dual de potencia y señal en lazo de control (PSDM-CL) 

Materiales

un microcontrolador STM32G431

 Los dispositivos GaN (GS61008T) 

VNA (E5061B),

Usos mensionados

 para teléfonos móviles y automóviles eléctricos

Parametros

un prototipo de un sistema MCR-WPT de 6,78 MHz capaz de transferir 45 W de energía a través de una distancia de un metro con una eficiencia del 62% y una tasa de bits de 60 kb/s para comunicación semidúplex.

  E1, v2 son los voltajes de entrada y salida del inversor, g(t) es una función de onda cuadrada unitaria

En este trabajo, Zs y Zl se diseñan cuidadosamente a 50 Ω (marcados como R0) para que el sistema de comunicación sea consistente con el entorno de medición estándar de 50 Ω.

Ancho de banda 800 kHz

 frecuencia de la portadora de datos se establece en f 1 100 kHz

, el inversor de puente completo convierte CC en CA a 6:78 MHz

 

 un rectificador de puente completo restaura la potencia de CA a la salida de CC.

el rectificador también es un mezclador de frecuencia

cambia la frecuencia del portador de datos de 6:78 ± 0:1 MHz a 100 kHz.

 en una red RLC paralela con una frecuencia de resonancia de 100 kHz

 la impedancia de entrada del convertidor reductor se establece en aproximadamente 320 Ω, el valor óptimo para la transferencia de energía. Mientras tanto, el voltaje de entrada en el lado frontal se fija en 24 V y el convertidor elevador se regula para mantener un voltaje de salida de 48 V en el lado de carga. La eficiencia de la transferencia de energía cuando las resistencias de carga varían de 50 Ω a 100 Ω (potencia de salida de 45 W a 23 W) se registra en la Discusión complementaria 3, donde la eficiencia general del sistema se mantiene por encima del 62%. 

), cuando la ganancia de potencia de la señal cae 6 dB, el ancho de banda estándar Ws es 233 kHz. Por lo tanto, la frecuencia del portador de datos se selecciona en 100 kHz (f ¼ 100 kHz) y la velocidad de símbolo se establece en 20 kBaud (Bd ¼ 20 kBaud)

El método PSDM se emplea en el convertidor reductor, con la frecuencia de conmutación establecida en 800 kHz y la frecuencia del portador de datos establecida en 100 kHz. Los datos se modulan con 8DPSK y se transmiten mediante el convertidor reductor con η= 0:01

Cabe señalar que en este experimento se adopta la modulación 8DPSK, por lo que la velocidad de comunicación es de 60 kbps  la eficiencia general del sistema durante la comunicación fluctúa menos del 1% (ve

aporte

un sistema de transferencia dual de energía e información inalámbrica basado en convertidores de electrónica de potencia 

cambia el sistema MCR-WPT de energía únicamente a un sistema integrado de transmisión de energía e información WPIDT.

ofrece una solución rentable para la transmisión simultánea de información de mediano alcance basada en convertidores de electrónica de potencia en sistemas MCR-WPT.

Funcionamiento

un sistema de transferencia dual de información y potencia inalámbrica (WPIDT), en el que la potencia y la información se multiplexan en el lado de CC y se transmiten a través de un sistema MCR-WPT convencional, y luego se demultiplexan en el otro lado de CC

las señales de información se modulan en un lado de CC del inversor/rectificador y se transmiten a través de un sistema de transferencia de energía inalámbrica de rango medio convencional, y luego se demodulan en el otro lado de CC. 

Utilizando la característica de mezclador de frecuencia del inversor/rectificador, la información se modula en la banda lateral de la portadora de energía y se transmite a través del canal de rango medio. 

La modulación, en la que la potencia y la información son moduladas por el inversor. la información modulada en la señal v1m se agrega a la fuente de CC por desplazamiento de dos fases 2PSK 

el inversor de puente completo genera una onda cuadrada  Suponiendo que la frecuencia de conmutación del inversor es igual a la frecuencia de resonancia f0, solo el componente fundamental de la onda cuadrada puede pasar a través de la red MCR, lo que da como resultado una onda de corriente sinusoidal

el inversor está controlado por interruptores activos como MOSFET de potencia, y la expresión matemática del convertidor es

Como mezclador, el inversor multiplica el voltaje de entrada por una onda cuadrada diseñada con frecuencia f en su salida

La red MCR pasiva, que consta de bobinas y componentes de compensación, es un canal de paso de banda adecuado para transmit

La transmisión, en la que las señales de información y potencia moduladas se transmiten a través del canal MCR. Para facilitar la derivación, se supone que la función de transferencia del canal de paso de banda

El método de modulación utilizado en el sistema para la comunicación descendente puede describirse como modulación de envolvente

es el caso de la comunicación ascendente ya que la información se transmite en la dirección opuesta a la transferencia de energia

Circuito simplificado del sistema WPIDT basado en MCR. E1 es la fuente de CC de entrada, Cd1 y Cd2 son la capacitancia del filtro y RL es la resistencia de carga. Vs1 y Vs2 indican la fuente de datos, Vs0 y Vl0 indican el voltaje del receptor de datos. Zs0 y Zl0 indican los circuitos de adaptación, Rs1 y Rl2 son la resistencia, Cs1 y Cl2 son la capacitancia, Ls1 y Ll2 son la inductancia.

Para construir un modelo de comunicación dúplex para WPIDR se introducen en el sistema dos fuentes de señal (Vs1 y Vs2) y circuitos de adaptación (Zs0 y Zl0). E1 es la fuente de CC de entrada, Cd1 y Cd2 son la capacitancia del filtro y RL es la resistencia de carga. Vs1 y Vs2 indican la fuente de datos, Vs0 y Vl0 indican el voltaje del receptor de datos. Zs0 y Zl0 indican los circuitos de adaptación, Rs1 y Rl2 son la resistencia, Cs1 y Cl2 son la capacitancia, Ls1 y Ll2 son la inductancia. [142] 

Pasos  Para construir un modelo de comunicación dúplex para el sistema WPIDT

Se introducen en el sistema dos fuentes de señal (Vs1 y Vs2) y circuitos de adaptación (Zs0 y Zl0)

Modelo de circuito del sistema WPIDT: b1 corresponde a un modelo lineal simplificado de dos puertos, ViM y VoM denotan la fuente de datos equivalente, Zs y Zl denotan la impedancia equivalente, v1 y v2 denotan el voltaje de salida de la señal. b2 corresponde a un modelo equivalente de sistema basado en MCR. C1 ~ C4 denotan la capacitancia, Rp1 ~ Rp4 denotan la resistencia y L1 ~ L4 denotan la inductancia de los resonadores. k12, k23 y k34 denotan el coeficiente de acoplamiento de las bobinas, ds es la distancia entre L2 y L3

Fotografía del sistema prototipo correspondiente a a. c Fotografía de la placa de circuito del lado frontal. d Fotografía de la placa de circuito del lado de carga. e Comparación entre los valores teóricos y medidos de jS21j cuando ds = 70 cm. fs es la frecuencia de barrido y Ws es el ancho de banda. f Comparación de los valores teóricos y medidos de jS12j cuando ds = 70 cm

El MCR consta de la bobina de accionamiento, la bobina transmisora, la bobina receptora y la bobina de carga, cada una de las cuales tiene un diámetro de 50 cm y está alineada a lo largo de un eje. Las bobinas de accionamiento y de carga tienen 2 espiras y L1 ¼ L4 ¼ 2:18 μH, mientras que las bobinas transmisora ​​y receptora tienen 10 espiras y L2 ¼ L3 ¼ 90 μH. Las bobinas transmisora ​​y receptora están distribuidas compensadas para aumentar el factor de calidad de las bobinas. La distancia entre la bobina de accionamiento y la bobina transmisora ​​se fija en 15 cm, al igual que la distancia entre la bobina receptora y la bobina de carga. En el experimento, la distancia ds entre las bobinas transmisora ​​y receptora se fija en 70 cm, por lo que la distancia de transmisión de todo el sistema es de aproximadamente 1 m..

En el prototipo del sistema WPIDT, el convertidor elevador frontal funciona como regulador de potencia y transmisor de datos para la comunicación descendente. Como regulador de potencia, regula el voltaje de CC de salida en función de la retroalimentación del lado de la carga; como transmisor de datos, transmite señales de datos moduladas a una frecuencia f 1. 

De manera similar, el convertidor reductor del lado de la carga sirve como regulador para el control de la impedancia de entrada y como transmisor de datos para la comunicación ascendente. La técnica de modulación dual de potencia y señal (PSDM), que se presentó en nuestros trabajos anteriores [132][133][134][135] se aplica en los convertidores elevadores del lado frontal y reductores del lado de carga para conversión de potencia y modulación de datos simultáneas. Durante la comunicación, un microcontrolador (STM32G431)  transmite información mediante la integración de la señal de datos modulada PSK en el bucle de control de los convertidores, incorporando así los datos como una perturbación de voltaje en el flujo de potencia.

 Los dispositivos GaN (GS61008T) se utilizan para aumentar la frecuencia de conmutación de los convertidores y, por lo tanto, el ancho de banda de la señal de datos. La frecuencia de conmutación del elevador y reductor se establece en 800 kHz en este caso, mientras que la frecuencia de la portadora de datos se establece en f 1 ¼ 100 kHz.

 En la segunda etapa de conversión de potencia, el inversor de puente completo convierte CC en CA a f 0 ¼ 6:78 MHz mientras modula la portadora de datos de baja frecuencia en la banda de la portadora de potencia de alta frecuencia. Luego, la potencia CA mezclada con los datos se transmite al lado de la carga. El elevador funciona como un rastreador de envolvente y el inversor funciona como un productor en el lado frontal durante la comunicación descendente, similar a la modulación de envolvente como se mencionó anteriormente.

En el lado de la carga, un rectificador de puente completo restaura la potencia de CA a la salida de CC. Al mismo tiempo, el rectificador también es un mezclador de frecuencia. Durante la comunicación descendente, cambia la frecuencia del portador de datos de 6:78 ± 0:1 MHz a 100 kHz. Luego, la señal de datos se recupera a través del circuito de adaptación que consiste en una red RLC paralela con una frecuencia de resonancia de 100 kHz. Finalmente, después de ser filtrada y amplificada, la señal de datos se muestrea y demodula digitalmente mediante otro microcontrolador (STM32G431) en el lado de la carga. 

La segunda etapa en el lado de la carga es el convertidor reductor, que también emplea la estrategia PSDM. Durante la comunicación ascendente, envía datos modulados con señal PSK.

 La modulación dual de potencia y señal (PSDM) es una tecnología que modula datos y convierte energía en un convertidor simultáneamente

Procesos de modulación de datos en el convertidor mediante el método PSDM. La línea azul denota la señal. Vt(t) es la portadora triangular, Vr(t) es la salida del bucle de control de potencia, s(t) es la señal de datos y Vrs(t) es la señal integrada de potencia y datos.

la portadora de datos se puede representar por una secuencia de ciclo de trabajo.

Sobre la base del momento del desplazamiento de fase, se determinan la fase inicial de la señal recibida y el comienzo de una trama y posteriormente se emplean para la demodulación. El procedimiento correspondiente se ilustra en Fi Implementación del método de sincronización y emodulación. a Estructura de trama.

Para sincronizar el transmisor y el receptor se utiliza un preámbulo de cinco símbolos de sincronización Sobre la base del momento del desplazamiento de fase, se determinan la fase inicial de la señal recibida y el comienzo de una trama y posteriormente se emplean para la demodulación. El procedimiento correspondiente se ilustra en Fi

Implementación del método de sincronización y emodulación. a Estructura de trama.

Bibliografia

[1] X. He et al., “Wireless power and information dual transfer system via magnetically coupled resonators,” Communications Engineering, vol. 3, no. 1, Jan. 2024, doi: 10.1038/s44172-023-00154-4.