CN112701800B - 共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输*** - Google Patents

共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，采用第一共享电容极板和第二共享电容极板构成的单电容耦合机构进行无线能量传输和无线信号传输，能够在保证电能发射端与电能接收端之间双向高速通信的同时，实现单电容无线电能稳定传输的功能。本发明的优势在于：结构简单，只需一对金属极板，极大地增强了***的灵活性，***耗材更低，特别适合应用于移动设备的无线供电与数据传输。同时，本发明更有利于减小耦合机构中异物的影响，实现能量与信号的并行传输。

Description

共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术是一种综合利用了电力电子技术和现代控制理论并通过磁场、电场、微波和激光等媒介实现电能无线传输的技术，该技术极大提升了用电设备取电的灵活性与安全性。电场耦合式无线电能传输(Electric-field Coupled Wireless Power Transfer,EC-WPT)技术，是一种以高频电场作为能量传输媒介实现无直接电气连接的电能传输技术，该技术具有耦合机构体积小、重量轻、设计灵活度高、机构耗材量低，且能够穿越金属物体传能等优点，具有很大的应用潜力。
现在常用的EC-WPT***使用的是双极板式的耦合机构实现能量的传输，但这样的耦合机构存在着一些不足之处：移动电气设备在两对金属板的制约下灵活性较差；由于EC-WPT***的高驱动频率，耦合极板的交叉耦合随着耦合距离增加会更加显著，这在增加***复杂度的同时影响电能传输。利用单电容耦合无线电能传输***为上述问题的解决提供了一种新的方法。
在实际工程应用中，为了提升EC-WPT***能效以及适应更多应用对象，在电能无线传输的同时还需要进行数据的高速无线传输。一方面，输出电压反馈控制、负载识别、自动调谐等功能普遍为EC-WPT***所要求，***电能发射端和接收端之间的通信有助于实现上述功能需求并提升***整体性能；另一方面，在实际工程应用中EC-WPT***用电设备与电能发射端的数据交互也被广泛需求，例如海洋水下机器人需要向地面控制平台回传采集的海底数据，同时也需要接收来自地面控制平台的指令信号。
发明内容
基于上述内容，本发明的目的在于提出一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，以在保证电能发射端与电能接收端之间双向高速通信的同时，实现单电容无线电能稳定传输。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，包括能量传输通道和信号传输通道，其特征在于：所述能量传输通道的发射端设置有相连接的第一共享电容极板和原边补偿电路，所述能量传输通道的接收端设置有相连接的第二共享电容极板和副边补偿电路，所述能量传输通道通过所述第一共享电容极板与所述第二共享电容极板构成的单电容耦合机构实现电能无线传输；
所述信号传输通道设置有信号发送/接收装置和信号接收/发送装置，所述信号发送/接收装置经过信号调制/解调电路连接所述第一共享电容极板，所述信号接收/发送装置经过信号解调/调制电路连接所述第二共享电容极板，所述信号传输通道通过所述第一共享电容极板和所述第二共享电容极板构成的所述单电容耦合机构实现信号双向无线传输。
可选地，所述原边补偿电路设置有发射端谐振电感Lp和发射端谐振电容Cp，所述第一共享电容极板电气连接在所述发射端谐振电感Lp和所述发射端谐振电容Cp的公共连接端上，所述副边补偿电路设置有接收端谐振电感Ls和接收端谐振电容Cs，所述第二共享电容极板电气连接在所述接收端谐振电感Ls和所述接收端谐振电容Cs的公共连接端上。
可选地，所述第一共享电容极板与所述第二共享电容极板为正对放置的两块金属极板，在工作时两块所述金属极板构成单电容Cps。
可选地，两块所述金属极板外观、材质均相同。
可选地，所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均为LC谐振补偿电路，二者谐振频率相同，且对应元器件参数设置相同。
可选地，Cp/Cps的值在7～14之间。
可选地，在所述能量传输通道的发射端设置有逆变电路，所述逆变电路的输入端用于连接直流电源，所述逆变电路的输出端连接所述原边补偿电路。
可选地，在能量传输通道的发射端设置有所述直流电源，该直流电源由蓄电池或其他直流电源设备提供，或者采用工频交流电源通过整流电路转换而成。
可选地，在能量传输通道的接收端设置有副边整流滤波电路，所述副边整流滤波电路的输入端连接所述副边补偿电路，所述副边整流滤波电路的输出端为负载供电。
可选地，所述副边整流滤波电路由全桥整流电路和滤波电容组成。
本发明提供的一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，采用第一共享电容极板和第二共享电容极板构成的单电容耦合机构进行无线能量传输和无线信号传输，能够在保证电能发射端与电能接收端之间双向高速通信的同时，实现单电容无线电能稳定传输的功能。本发明的优势在于结构简单，只需一对金属极板，极大地增强了***的灵活性，***耗材更低，特别适合应用于移动设备的无线供电与数据传输。同时，本发明更有利于减小耦合机构中异物的影响，实现能量与信号的并行传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例的***架构图；
图2为图1所示***的等效电路原理图；
图3为图1所示***的信号传输通道的等效电路图；
图4为图1所示***的能量传输通道的等效电路图；
图5为图1所示***的参数k和fp对激励电压U1的影响；
图6为图1所示***的参数设计流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，本实施例提供一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，包括能量传输通道和信号传输通道，所述能量传输通道的发射端设置有相连接的第一共享电容极板G和原边补偿电路，所述能量传输通道的接收端设置有相连接的第二共享电容极板H和副边补偿电路，所述能量传输通道通过所述第一共享电容极板G与所述第二共享电容极板H构成的单电容耦合机构实现电能无线传输；
所述信号传输通道设置有信号发送/接收装置和信号接收/发送装置，所述信号发送/接收装置经过信号调制/解调电路连接所述第一共享电容极板G，所述信号接收/发送装置经过信号解调/调制电路连接所述第二共享电容极板H，所述信号传输通道通过所述第一共享电容极板G和所述第二共享电容极板H构成的所述单电容耦合机构实现信号双向无线传输。
通过图1可以看出，在能量传输通道的发射端设置有直流电源Edc(1)、逆变电路(全桥型逆变器2，由4个MOSFET S1-S4组成)、发射端谐振电感Lp、发射端谐振电容Cp与第一共享电容极板G(单电容极板G)，发射端谐振电感Lp和发射端谐振电容Cp构成LC原边谐振补偿电路3，第一共享电容极板G电气连接在发射端谐振电感Lp和发射端谐振电容Cp的公共连接端上。在能量传输通道的接收端设置有第二共享电容极板H(单电容极板H)、接收端谐振电感Ls、接收端谐振电容Cs、副边整流滤波电路5(由全桥整流电路和滤波电容C0组成，其中四个二极管D1-D4组成全桥整流电路)及负载RL(6)，接收端谐振电感Ls和接收端谐振电容Cs构成的LC副边谐振补偿电路4，第二共享电容极板H电气连接在接收端谐振电感Ls和接收端谐振电容Cs的公共连接端上。
可以看出，能量传输通道的耦合机构由两块金属极板正对构成，极板之间的电容为Cps，金属极板之间的介质可以是空气、水或其它不导电介质，金属极板可以使用圆形、方形或其他任何形状，同时金属材料可以是铜、铝或其他金属材料。单电容极板G和H的几何参数和正对间距l1由装置实际应用场所决定。
全桥型逆变器2可以将***的直流电压转换为高频交流电注入电能发射端LC原边谐振补偿电路，LC原边谐振补偿电路可以减小***的无功功率，提高功率因数。同时，由于逆变器转换的交流波形为方波，利用电感电容谐振可以减小谐波，同时实现升压的效果。电能从发射端传递到接收端，LC副边谐振补偿电路通过接收端谐振电感Ls和接收端谐振电容Cs谐振后将电能传递到副边整流滤波电路，副边整流滤波电路将接收到的高频交流电转换成负载所需的直流电。
而信号传输通道中，信号发送/接收装置(在某一时间仅作为信号发送装置发送信号或作为信号接收装置接收信号)、信号调制/解调电路(在某一时间仅作为信号调制电路调制信号或作为信号解调电路解调信号)以及单电容极板G在电能发送端；单电容极板H、信号解调/调制电路(在某一时间仅作为信号解调电路解调信号或作为信号调制电路调制信号)、信号接收/发送装置(在某一时间仅作为信号接收装置接收信号或作为信号发送装置发送信号)在电能接收端。信号传输与能量传输公用一对单电容极板，在一次数据传输中，信号调制电路将信号发送装置发送的数据转变为调制信号，调制信号为带有信息的高频载波，调制信号通过单电容极板传输到信号接收端，信号解调电路接收信号并对其进行解调，然后将数据信息传输至信号接收装置，如此实现信号的双向传输。
由图1可知，数据双向传输为对称结构，传输过程相似。在此只分析数据从用电设备向电能发射端传输的过程。结合上述内容和图1，对***分析并进行设计，***等效电路图如图2所示。
图2采用基波近似的方法简化图1所示***，且认为所有元件均为理想元件，图2中逆变输出方波电压uin，对应的电流为iin，负载等效为电阻Req，Req的计算公式如式(1)，式中RL为图1中的负载电阻。
Figure BDA0002904760920000061
信号发送装置发送需要的数据，经信号调制电路转换为带有信息的高频载波，等效为us，信号解调电路与信号接收装置等效为电阻R1。
先对信号传输通道进行分析，信号传输通道不构成完整电气回路，对能量传输通道来说等效为断路，只考虑信号从电能接收端向电能发射端传输，信号传输通道等效电路如图3所示。
然后需要考虑的是能量传输通道在极板之间产生的激励电压频率对信号传输的影响，***信号传输的频率fs一般来说远远大于能量传输的频率fp，故信号传输角频率ωs与能量传输角频率ωp的关系式如式(2)：
ωs＝αωp,α＞＞1 (2)
根据经验，信号传输角频率ωs与能量传输角频率ωp的比值α越大，电能传输对信号传输的影响就越小，在负载上的输出电压和输出功率被应用场景限制的情况下，适当地增大信号传输的频率fs有利于提升信号传输的效果。
本实施例的信号调制/解调电路及信号解调/调制电路基于LW-MPA223电力通信模块，该模块采用OFDM调制解调技术，使用2～28MHz高频数据载波对需要传输的数据进行调制解调，能够实现最大200Mbps的传输速率。该模块可以通过多种方式实现数据信号的发送与接收，如使用PC机和单片机，根据模块接口的定义，电源接口接12V供电，四个网络接口TXP、TXN、RXP、RXN接到网线对应的引脚上，网线另一端与信号发送/接收装置相连，能够很好地满足***的通信需要。
接下来，对能量传输通道进行分析设计。对于现有基于电场耦合的无线电能传输***厘米级传输距离的应用情况，为保证单电容极板上激励电压满足能量传输的要求，极板上的激励电压要求较高，其电压远远高于信号载波产生的电压，故对能量传输通道进行设计时，忽略信号传输对电能传输产生的影响。
图1所示***的能量传输通道等效电路图如图4所示，考虑电磁辐射以及安全性问题，单电容极板上形成的交互电场不宜太强，可以通过设置合适的k值来改变激励电压的大小，k值的定义为Cp/Cps的值。在实际应用中，当输入电压Edc、负载电阻RL和耦合机构一定时，激励电压的取值范围由k和能量传输的频率fp决定。若k和fp过小，可能会导致激励电压太小而无法为负载提供足够的功率，若其值过大，则会使激励电压过大而造成安全隐患。此外，频率fp的取值范围还影响谐振电感的大小和***鲁棒性，过低的频率导致谐振电感较大，造成***体积增大和损耗过多。而过大的工作频率会带来通信难度增加和***鲁棒性较差等一系列问题。激励电压的大小随k和fp的变化曲线如图5所示，根据仿真分析k的取值一般为7～14。
对于图4中电能发射端构成的回路S1，此回路由等效电源uin、发射端谐振电感Lp以及发射端谐振电容Cp构成，其采用LC拓扑结构，为使Lp与Cp谐振，参数满足式(3)：
Figure BDA0002904760920000071
对于图4中电能接收端构成的回路S2，此回路由接收端谐振电感Ls、接收端谐振电容Cs以及负载电阻Req组成，同发射端一样，为使Ls与Cs谐振，接收端补偿电路谐振频率与发射端补偿电路一致，设计Ls与Cs满足式(4)：
Figure BDA0002904760920000072
此外，在实际应用中电感内部不可避免地存在有内阻，应选择具有低串联等效电阻、体积小、高品质因数Q等特性的电感Lp、Ls和电容Cp、Cs。fp由应用的实际需求确定，再按照k值需要确定Cp，就可以根据公式(3)、(4)计算出***所需要的无功元件的参数。***参数设计流程图如图6所示。
下面进行实验验证。
根据上述内容，搭建如图1所示的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，单电容耦合机构采用两块300*300mm正对的方形铝板作为单电容能量与信号传输极板，铝板和铝板正对的间距l1设置为30mm，使用木块将其隔开，根据应用需求将本次实验中的电能传输频率fp选取为1MHz，利用电桥测得两极板间的电容Cps为43.9pF。
期望能够稳定可靠地点亮LED灯带，信号传输速率达到200kb/s。
实验装置中，高频全桥逆变器使用4个IMZ120R060M1型号的MOSFET，电感Lp和Ls是0.04*1200的高频利兹线绕制而成的空心电感，电容Cp和Cs为高频耐高压电容，整流器由2个GHXS045A120S-D3型号的并联二极管构成，调制解调电路选择两块LW-MPA223电力通信模块，模块上的载波输入和输出端口，整体构成信号发送与接收部分。为了更直观展示数据的高速传输，采用两台PC机作为信号发送/信号接收装置。在两台PC机间利用信号传输通道构建局域网，基于此局域网两台PC机构建共享文件夹，信号发送/接收端通过访问信号接收/发送端的共享文件夹，在共享文件夹中写入文件来完成数据的传输：通过查看在此文件夹中写入文件的速度得到数据传输的速度。
根据图6所示的参数设计方法，确定共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***的参数如表1所示。
表1共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***参数取值
Figure BDA0002904760920000091
实验结果表明能量可以稳定地从发射端传输到接收端，可靠地点亮LED灯，同时信号传输速率为377kb/s，均达到期望。
综上所述，本发明实施例提供的一种共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，采用第一共享电容极板G和第二共享电容极板H构成的单电容耦合机构进行无线能量传输和无线信号传输，能够在保证电能发射端与电能接收端之间双向高速通信的同时，实现单电容无线电能稳定传输的功能，并得到了实验验证。本发明的优势在于结构简单，只需一对金属极板，极大地增强了***的灵活性，***耗材更低，特别适合应用于移动设备的无线供电与数据传输。同时，本发明更有利于减小耦合机构中异物的影响，实现能量与信号的并行传输。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，比如根据耦合机构及其辅助电路所配置的位置，在耦合机构上可以单设发射极板或接收极板，也可以将直流电源、逆变电路、原边谐振补偿电路中的任何一种或多种组合配置在耦合机构上，或者配置在耦合机构外，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，包括能量传输通道和信号传输通道，其特征在于：所述能量传输通道的发射端设置有相连接的第一共享电容极板和原边补偿电路，所述能量传输通道的接收端设置有相连接的第二共享电容极板和副边补偿电路，所述能量传输通道通过所述第一共享电容极板与所述第二共享电容极板构成的单电容耦合机构实现电能无线传输；
所述信号传输通道设置有信号发送/接收装置和信号接收/发送装置，所述信号发送/接收装置经过信号调制/解调电路连接所述第一共享电容极板，所述信号接收/发送装置经过信号解调/调制电路连接所述第二共享电容极板，所述信号传输通道通过所述第一共享电容极板和所述第二共享电容极板构成的所述单电容耦合机构实现信号双向无线传输。
2.根据权利要求1所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：所述原边补偿电路设置有发射端谐振电感Lp和发射端谐振电容Cp，所述第一共享电容极板电气连接在所述发射端谐振电感Lp和所述发射端谐振电容Cp的公共连接端上，所述副边补偿电路设置有接收端谐振电感Ls和接收端谐振电容Cs，所述第二共享电容极板电气连接在所述接收端谐振电感Ls和所述接收端谐振电容Cs的公共连接端上。
3.根据权利要求2所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：所述第一共享电容极板与所述第二共享电容极板为正对放置的两块金属极板，在工作时两块所述金属极板构成单电容Cps。
4.根据权利要求3所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：两块所述金属极板外观、材质均相同。
5.根据权利要求1～4任一项所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：所述原边补偿电路和所述副边补偿电路均为LC谐振补偿电路，二者谐振频率相同，且对应元器件参数设置相同。
6.根据权利要求5所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：Cp/Cps的值在7～14之间。
7.根据权利要求2所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：在所述能量传输通道的发射端设置有逆变电路，所述逆变电路的输入端用于连接直流电源，所述逆变电路的输出端连接所述原边补偿电路。
8.根据权利要求7所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：在所述能量传输通道的发射端设置有所述直流电源，该直流电源由蓄电池或其他直流电源设备提供，或者采用工频交流电源通过整流电路转换而成。
9.根据权利要求8所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：在所述能量传输通道的接收端设置有副边整流滤波电路，所述副边整流滤波电路的输入端连接所述副边补偿电路，所述副边整流滤波电路的输出端为负载供电。
10.根据权利要求9所述的共享通道式单电容耦合无线电能与信号并行传输***，其特征在于：所述副边整流滤波电路由全桥整流电路与滤波电容组成。
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ICPT***电能信号共享通道实时同步传输方法研究;孙跃等;《中国电机工程学报》;20161005;第36卷(第19期);第5172-5178页 *
单电容耦合无线电能传输装置设计与实现;刘灿文等;《信息通信》;20201115(第11期);第106-108页 *
电场耦合型无线电能传输***调谐技术;苏玉刚等;《电工技术学报》;20131130;第28卷(第11期);第189-194页 *

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