无线能量和信息协同传输技术以空间交变磁场为媒介,通过耦合机构实现能量和信息同时从发射端传送到接收端,并在接收端通过解调单元完成能量和信息的分离。金属体处于交变磁场中会产生涡流,其不仅会产生涡流损耗,还会改变原始磁场分布进而扰动传输系统的电磁参数。在许多应用场景中,无线能量和信息协同传输系统所处金属环境往往较为复杂,金属体的大小、形状、距离和材质等均存在不确定性,例如电动汽车的金属底盘,医疗植入物的金属外壳,火炮装定系统附近的炮膛和弹体等。由于无线能量和信息协同传输系统是一个多参数且参数敏感的系统,上述金属环境带来的扰动会造成系统能量传输的失效和通信失败,甚至引发安全事故。因此,研究金属对系统传输特性的影响规律,构建优化机制,从而建立金属环境下无线能量和信息传输系统模型具有重要意义。本研究来源于XX厂无源感应装定系统项目需求,并得到了重庆市科委应用计划项目“复杂金属环境下RFID系统关键技术与设计”的资助,重点研究其关键问题-金属环境下面向中小功率应用的无线能量和信息协同传输基础理论与方法。本文的主要内容包括:(1)现有无线能量传输模型未考虑金属体对中小功率无线能量与信息协同传输系统的影响。针对这一问题,本文从电磁场理论出发,研究金属环境下线圈集总参数变化,从而构建面向金属环境的无线能量传输系统理论模型。采用有限元分析方法,分别实现面向自由空间和金属环境的无线能量传输建模与仿真,从而深刻理解两种环境对无线能量传输性能影响差异及相关影响因素。基于这些因素分析,设计金属体不同位置和不同材质来模拟不同金属环境,分别详细研究金属环境对无线能量传输系统中谐振频率、输入阻抗、磁场分布、涡流损耗以及传输功率和效率等参数的影响规律及机理,从而为后续系统性能的调控机制研究奠定基础。(2)金属环境影响下,无线能量传输系统出现谐振频率偏移以及传输功率下降等问题,传统的基于串-串谐振补偿的定频控制系统不再适用,而调整发射端谐振电容的方法在实际应用中有成本高、体积大、不易实现等问题。针对这一问题,本文首先研究谐振补偿网络结构特点和电流型D类功率放大器的基本原理,并在此基础上重点推导并-并谐振网络的阻抗频率特性,从而证明采用自激振荡逆变器可以通过跟踪零相位频率点实现系统谐振频率自跟踪和零电压软开关调控机制。针对原有自激振荡逆变器存在较大的驱动损耗和开关损耗,且输出功率受限等问题,通过改进驱动电路和分离驱动输入电源,设计完成改进型功率可控式自激振荡逆变器。经过验证,改进后的自激振荡逆变器不仅能够自动跟踪系统谐振频率,还显著提升了系统传输功率和传输效率。最终在金属环境下验证该系统可以自动跟踪谐振频率,并通过升高输入电压提升了金属环境下系统传输功率和传输效率。(3)针对应用中接收端体积严格受限情况,在不额外增设线圈和变压器等耦合机构的前提下提出一种基于单线圈组的能量与信息协同传输策略。该策略基于自激振荡逆变器频率自跟踪特性实现能量高效传输,并采用发射端谐振电容切换实现能量的二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying,2FSK)调制,接收端根据接收电压幅度变化采用二进制振幅键控(Binary Amplitude Shift Keying,2ASK)解调。为避免金属对谐振频率干扰造成解调失败,建立2FSK调制电路模型并给出载波频率的选择规则,推导了切换电容比例值与调制度之间的近似关系,并通过仿真进行了验证。最后搭建相关实物模型,测试了系统能量和信息协同传输性能以及金属环境对系统信息传输的影响,实现了金属板在一定范围内系统2kbps速率下的能量与信息协同传输。本文的相关研究成果已成功转化并应用于XX厂无源感应装定系统项目,并取得了良好的效果。