CN110138094A - 电场式无线电能及双向信号传输*** - Google Patents
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Abstract
一种电场式无线电能及双向信号传输***，属于非电气接触电能传输技术领域，包括能量传输通道、前向信号传输通道和后向信号传输通道。能量传输通道包括功率发射电源、能量耦合机构、功率接收电路，前向、后向信号传输通道包括信号发射电源、信号耦合机构、信号接收电路。其中，能量传输通道和信号传输通道通过共模差模分离电路各自分别进行工作。本发明能够实现能量与双向信号的同步传输，能量通道和信号通道互不干扰；同时利用共模传输电能、差模传输信号的工作原理设计的无线电能及信号同时传输电路，不需要设计额外的信号通路和复杂的控制***；采用耦合电感式共模差模分离电路，同时实现了对耦合电容的补偿，简化了补偿网络。
Description
技术领域
本发明提出一种用于电场式无线电能及双向信号传输***的方案，属于非电气接触电能传输技术领域。
背景技术
通过导线进行电能传输是最常见的供电方式。非接触的无线电能传输相比有线电缆的电能传输方式在应用时具有灵活易用的特点，电场耦合式相比于磁场耦合式具有发射板、接收板重量小，价格低、发射边损耗小、耦合机构不需要铁磁材料、不会对周围金属物体引起涡流损耗等优点。
实际工作中，电场耦合式无线电能传输***受运行工况和环境变化等因素影响较大，如发射、接收极板位置变化和***工作频率漂移等。在长时间工作下，开关管的发热以及老化都会对无线电能***产生不利影响，造成传输效率及功率的下降。为保证无线电能传输***的稳定性，需要对***进行闭环控制。因此，在无线电能传输***中，除电能传输通道外，还需增设信号传输通道。
电场式无线电能传输技术利用交变电场进行能量传输。作为能量传输装置，***的传输功率、效率以及***鲁棒性都备受关注。在实际应用中，应在保证安全性和可靠性的基础上，提高***的传输功率及效率。在闭环控制中，需要实时采集电路工作电流、电压值，并将得到的信号传输至控制器。
从国内外的研究现状来看，电场式无线电能及信号同时传输技术，现有的方案主要有两种，一种是利用共享通道实现能量和信号的同时传输，但该方法能量和信号在传输过程中互相存在较大的干扰；另一种方案是利用电路中的组成元件，分别用作信号传输通道与能量传输通道，例如利用电路中极板进行能量传输，利用电路中补偿电感进行信号传输，但该方案在能量和信号同时传输的过程中仍然存在较大的互扰问题。
采用共模传输能量、差模传输信号的方法，可以有效解决能量和信号同时传输时的相互干扰问题，因此提出本方案实现能量和双向信号的同时传输。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电场式无线电能及双向信号传输***，解决现有无线电能传输***中能量与信号同时传输时互相干扰较大的问题，本发明可以实现能量与信号的独立同时传输。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种电场式无线电能及双向信号传输***，包括能量传输通道、前向信号传输通道和后向信号传输通道。能量传输通道包括功率发射电源、能量耦合机构、功率接收电路，前向、后向信号传输通道包括信号发射电源、信号耦合机构、信号接收电路。其中，能量传输通道和信号传输通道通过共模差模分离电路各自分别进行工作，即功率发射电源发出能量通过共模传输通道和能量耦合机构传输到接收侧，信号发射电源发出信号通过差模传输通道和信号耦合机构传输到接收侧，两者可同时工作且互不干扰，从而实现互不影响情况下的能量和信号同时传输。
所述功率发射电源，一般为高频逆变电路，为能量耦合机构提供所需的高频能量，将整流得到的直流电压逆变为高频的交流后传输到耦合机构。所述的高频逆变电路包括E类、半桥、全桥、推挽式逆变电路等。根据所需传输功率等级选取不同的逆变拓扑结构。
所述能量耦合机构，是采用电场耦合形式的可以等效成4个电容的耦合结构。其中两个耦合电容等效为并联形式(C1/C2)，另外两个电容也同样等效成并联形式(C3/C4)。耦合机构可以是平板式、圆筒式、旋转式等各种形式的电容耦合结构。
所述功率接收电路，包括高频整流电路，将接收到的交流电压采用高频二极管变换成直流，给负载提供能量供应。
所述信号发射电源，一般为信号调制、放大电路，将高频交流电经过调制放大电路传输到信号耦合机构。所述的信号调制方式根据对载波调制的变量的不同包括振幅键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、移频键控(Frequency Shift Keying,FSK)和移相键控(Phase Shift Keying,PSK)。结合电路设计难度、能量传输通道的影响以及信号检测的便利程度，选取不同的调制方式。
所述信号耦合机构，利用能量耦合***中等效为并联的两个电容(例如C1/C2或者C3/C4)实现耦合，其中前向耦合通道采用其中两个电容(C1/C2)实现前向信号传输，后向通道采用另外两个电容(C3/C4)实现后向信号传输。
所述信号接收电路，包括高频整流电路、解调电路，将接收到的交流电压经过解调电路和整流电路变换成直流，最终输出信号。
本发明的有益效果为：
1)实现能量与双向信号的同步传输，可从发射侧向接收侧传输信息，也可从接收侧向发射侧传输信息。易于获得实时的负载工作状态，便于进一步实现闭环控制，提高无线电能传输***鲁棒性。
2)利用共模传输电能、差模传输信号的工作原理设计的无线电能及信号同时传输电路，不需要设计额外的信号通路和复杂的控制***；能量通道和信号通道互不干扰，保证能量高效传输的同时，信号也能准确传输。
3)采用耦合电感式共模差模分离电路，同时实现了对耦合电容的补偿，简化了补偿网络。
附图说明
图1是电容式无线电能及双向信号传输的***简化框图；
图2是电容式无线电能及双向信号传输的***详细框图；
图3为电能传输示意图；
图4(a)为前向信号传输示意图；
图4(b)为后向信号传输示意图。
具体实施方案
图1是本发明电容式无线电能及双向信号传输***简化的结构框图。
本方案主要包括能量传输通道和信号传输通道两部分，其中信号传输通道又包括前向信号传输通道和后向信号传输通道。
对于能量传输通道，功率发射电源发出的能量，经共模差模分离电路分离后，通过C1/C2、C3/C4耦合电容，传输至接收侧，再经过共模差模分离电路传输到功率接收电路。
对于前向信号传输通道，信号发射电源发出的信号，经过共模差模分离电路分离后，通过C1、C2耦合电容，到达接收侧，再经过共模差模分离电路传输到信号接收电路。
对于后向信号传输通道，信号发射电源发出的信号，经过共模差模分离电路分离后，经过C3、C4耦合电容，到达发射侧，再经过共摸差模分离电路传输到信号接收电路。
图2是本发明电容式无线电能及双向信号传输***详细的结构框图。
图3为仅有电能传输示意图(黑框所示)；对于能量传输通道，工频电源经整流滤波后转变成直流，在经过高频逆变变成高频交流，通过耦合电感组成的共模差模分离电路，再经过C1/C2、C3/C4耦合电容，传输至接受侧，再通过共模差模分离电路，整流滤波电路，为直流负载提供能量供应。
图4(a)为仅有正向信号传输示意图(黑框所示)；对于前向信号传输通道，信号源经过调制、放大电路后，经耦合电感组成的共模差模分离电路分离，再经过C1、C2耦合电容，传输至接收侧，再通过共模差模分离电路，解调和整流电路输出信号。
图4(b)为仅有反向信号传输示意图(黑框所示)；对于后向信号传输通道，信号源经过调制、放大电路后，经耦合电感组成的共模差模分离电路分离，再经过C3、C4耦合电容，传输至发射侧，再通过共模差模分离电路，解调和整流电路输出信号。
对于共模差模分离电路，采用两对耦合电感实现，能量传输通道并联使用两对耦合电感，信号传输通道串联使用两对耦合电感，从而达到共模差模分离的效果。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种电场式无线电能及双向信号传输***，其特征在于，所述的电场式无线电能及双向信号传输***包括能量传输通道、前向信号传输通道和后向信号传输通道；能量传输通道包括功率发射电源、能量耦合机构、功率接收电路，前向、后向信号传输通道包括信号发射电源、信号耦合机构、信号接收电路；所述能量传输通道和信号传输通道通过共模差模分离电路各自分别进行工作，即功率发射电源发出能量通过共模传输通道和能量耦合机构传输到接收侧，信号发射电源发出信号通过差模传输通道和信号耦合机构传输到接收侧，两者可同时工作且互不干扰，实现互不影响情况下的能量和信号同时传输；
所述功率发射电源为高频逆变电路，为能量耦合机构提供所需的高频能量，将整流得到的直流电压逆变为高频的交流后传输到耦合机构；根据所需传输功率等级选取不同的逆变拓扑结构；
所述能量耦合机构，采用电场耦合形式的可以等效成4个电容的耦合结构；其中两个耦合电容等效为并联形式，另外两个电容也同样等效成并联形式；
所述功率接收电路，包括高频整流电路，将接收到的交流电压采用高频二极管变换成直流，给负载提供能量供应；
所述信号发射电源，为信号调制、放大电路，将高频交流电经过调制放大电路传输到信号耦合机构；所述的信号调制方式根据对载波调制的变量的不同包括振幅键控、移频键控和移相键控；
所述信号耦合机构，利用能量耦合***中等效为并联的两个电容实现耦合，其中前向耦合通道采用其中两个电容实现前向信号传输，后向通道采用另外两个电容实现后向信号传输；
所述信号接收电路，包括高频整流电路、解调电路，将接收到的交流电压经过解调电路和整流电路变换成直流，最终输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种电场式无线电能及双向信号传输***，其特征在于，所述的高频逆变电路包括E类、半桥、全桥、推挽式逆变电路。
3.根据权利要求1所述的一种电场式无线电能及双向信号传输***，其特征在于，所述的能量耦合机构可以是平板式、圆筒式、旋转式各种形式的电容耦合结构。
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