CN211930345U - 一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电缆接头，尤其是用于水下无线充电和无线通讯的电缆接头。一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，包括发射端和接收端，所述发射端由发射端控制器、发射端线圈组成，所述接收端由接收端控制器和接收端线圈组成；所述发射端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与发射端线圈连接；所述接收端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与接收端线圈连接；所述发射端线圈和接收端线圈通过电磁互感方式进行电力传输。本实用新型的电缆接头，通过设计无线通信模块和MCU微控制单元，实现发射端与接收端的无线数据传输，不仅可以用无线通信代替有线通信，而且发射端与接收端形成闭环控制，更方便控制供电的传输。

Description

一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头

技术领域

本实用新型涉及一种电缆接头，尤其是用于水下无线充电和无线通讯的电缆接头。

背景技术

随着海洋强国和一带一路等国家战略的提出，海洋作为高质量发展战略要地，建设完善的现代海洋体系和绿色可持续的海洋生态环境成为当前的重要目标。海洋生态环境监测主要依赖于各种水下传感器、水下及海面浮标、岸基平台等方式实现。海面浮标及岸基站与水下传感器之间通过4芯线缆连接，包括2根电源线和2根信号线。目前，线缆主要靠插拔式水密接头实现连接，这种连接方式存在几个缺点：第一，无法水下插拔线缆接头；第二，海边环境潮湿，定期维护或维修传感器时水密接头易进水报废；第三，海况环境复杂，水下海流及波浪等外力易造成水密接头进水短路。这些问题的存在给设备维护人员带来很大的不便，稍有不慎就可能因短路造成仪器设备烧坏或人员触电等风险。而且水密接头作为易损耗物品，成本损耗也较高。

利用电磁感应原理实现线圈的非直连互感电力传输，取代传统的导线通过插拔直连的供电连接方式，线圈可被非金属绝缘材料密封包裹，即便浸泡在水中也不会发生导线与水直接接触造成短路的危险。为此，中国实用新型专利公开了一种互感式水下插头插座，专利号201520870233.7，包括插头端和插座端，所述插头端内设置有至少两个插头相铁芯，所述插头相铁芯上缠绕有插头导线线圈，所述插头导线线圈连接有插头相导线；所述插头端外层包裹有插头外壳；所述插头外壳为绝缘材料外壳；所述插座端内设置有至少两个插座铁芯，所述插座铁芯上缠绕有插座导线线圈，所述插座导线线圈连接有插座相导线；所述插座端外层包裹有插座外壳；所述插座外壳为绝缘材料外壳。

上述专利虽然解决了水下充电的难题，但还存在以下缺点：1、输入端内置绕组一般均为长期有电流通过状态，这种设计方案既会浪费大量能源，造成一定范围和频率的电磁场污染，又会因导体长期发热而降低绝缘层的使用寿命，造成新的漏电隐患。2、输出端(插头)内的导体绕组一般设计多为闭合电路，在插头完全***到设计工作位置之前，一般插头后端引线也会有电压输出，这样的设计结构一方面存在安全隐患，另一方面波动的输出电压也可能会对后端用电器产生损伤。

另外，中国实用新型专利201721707923.6还公开了一种海洋水下充电连接装置，包括带有若干个插槽的插座以及与插槽配合的插头，插座内装有导磁体，在插槽的底部分别设有插座导通开关，输入导线的火线在引入插座后经过各个并联的插槽下绝缘包装内的插座导通开关后，缠绕在导磁体上作为功率输入端，缠绕后零线引出插座；插头的前部设有插头导通开关，插头内缠绕有呈螺旋状排列的导线绕组，插座导通开关的一端与导线绕组的引出端连接，导线绕组的另一端以及所述插头导通开关的另一端分别引出插头外部与外部用电器连接。

该专利公开的技术方案存在的缺陷和不足是：

1.输入端绕组线圈通过插座和插头导通开关的方式避免输入端长期处于导电状态，但是开关的反复按压变形会造成绝缘层的疲劳损伤从而出现漏水的风险，而且水下压力可能会对开关的状态造成影响。

2.输入端和输出端线圈***拔出过程中磁通量的变化会引起电路中电压电流波动，从而对后端电子元件产生损伤。

3.输入端通过交变电流产生磁场变化，磁场变化频率不便于控制，难以实现高频磁通量变化。

4.仅对供电方式进行了改进，无法满足无线通信的需求。

实用新型内容

基于现有技术中存在的问题和不足，本实用新型提供一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，不仅可以用无线通信代替有线通信，还可以通过电磁互感方式进行电力传输，并且能够根据需求调整磁场变化频率，实现高频磁通量变化；消除因磁场变化造成的电压电流波动对后端电子元器件的冲击和损伤。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，包括发射端和接收端，所述发射端由发射端控制器、发射端线圈组成，所述接收端由接收端控制器和接收端线圈组成；所述发射端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与发射端线圈连接；所述接收端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与接收端线圈连接；所述发射端线圈和接收端线圈通过电磁互感方式进行电力传输。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的发射端控制器包括：稳压降压模块、MCU微控制单元、无线通信模块和原边能量传输模块；所述稳压降压模块用于接收4芯电缆输入的供电电源，并对输入电压进行稳压、降压处理；所述MCU微控制单元读取4芯电缆输入的通信信号，然后通过无线通信模块将信号传送到接收端；所述原边能量传输模块为发射端线圈提供高频激励源。

作为本实用新型的一种优选方式，所述稳压降压模块包括：稳压电路和降压电路；稳压电路对输入电压进行稳压，提供较高电压，为原边能量传输模块的激励源提供直流电源；降压电路对稳压后的电压进行降压处理，为MCU微控制单元和无线通信模块供电。

作为本实用新型的一种优选方式，所述原边能量传输模块包含逆变电路、开关电路以及补偿电路；逆变电路为发射端线圈提供高频激励源，补偿电路用于补偿漏感造成的电能传输损失。

进一步优选地，所述MCU微控制单元可以根据信号内容对原边能量传输模块进行开关控制，所述原边能量传输模接收MCU微控制单元的开关控制指令，控制开关电路的通断。

作为本实用新型的一种优选方式，所述接收端控制器包括能量接收模块、电压检测电路、MCU微控制单元和无线通信模块；

所述能量接收模块由整流电路、稳压电路和补偿电路构成，整流电路和稳压电路将接收端线圈接收的能量整流稳压后输出到外部4芯电缆电源线连接的充电电池组，为电池组充电；补偿电路可以补偿漏感造成的电能传输损失。

所述电压检测电路检测外部充电电池组的电压情况，并将电池组的电压稳压后为MCU微控制单元和无线通信模块供电，当外部充电电池组电压低于一定的阈值时，电压检测电路拉低MCU微控制单元输入端电压，然后MCU微控制单元通过无线通信模块要求发射端开始供电。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的原边能量传输模块和能量接收模块分别设有补偿电路，用于补偿漏感造成的电能传输损失。

进一步优选地，所述的无线通信模块选自ZigBee模块或者蓝牙模块，与所述MCU微控制单元的信号读写端相连接。

作为本实用新型的一种优选方式，所述发射端线圈和接收端线圈为表层绝缘覆盖的铜导线绕制而成的同心圆线圈。

进一步优选地，供电状态下，所述发射端线圈与接收端线圈圆心重叠、紧密贴合；线圈之间非金属绝缘材料总厚度约6-8mm。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：本实用新型的电缆接头，通过设计无线通信模块和MCU微控制单元，实现发射端与接收端的无线数据传输，不仅可以用无线通信代替有线通信，而且发射端与接收端形成闭环控制，更方便控制供电的传输。同时，在发射端设计了稳压模块和高频激励模块，能够更精准地根据需求调整磁场变化频率；在接收端设计了整流和稳压电路模块，消除了因磁场变化造成的电压电流波动对后端电子元器件的冲击和损伤。

附图说明

图1是本实用新型实施例中水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头整体结构示意图；

图2是发射端结构连接及工作原理示意图；

图3是接收端结构连接及工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行相对清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供的其中一个实施例是：一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，如图1所示，主要包括：发射端控制器101、发射端线圈102、接收端控制器103、接收端线圈104。发射端控制器101、发射端线圈102组成电缆接头的发射端，接收端控制器103、接收端线圈104组成电缆接头的接收端。发射端线圈102和接收端线圈104，均为环形同心圆线圈绕组。

发射端控制器101一端引出4根导线，分别为电源正极、电源负极、读信号线、写信号线，4根导线直接与4芯电缆109密封连接，另一端与发射端线圈102芯导线的两个端子相连。发射端线圈102表层及发射端控制器101与发射端线圈102之间导线均被非金属绝缘材料密封覆盖。

接收端控制器103一端引出4根导线，分别为电源正极、电源负极、读信号线、写信号线，4根导线直接与4芯电缆109密封连接，另一端与接收端线圈104芯导线的两个端子相连。接收端线圈104表层及接收端控制器103与接收端线圈104之间导线均被非金属绝缘材料密封覆盖。

如图2所示，发射端控制器101包括：第一MCU微控制单元201、第一无线通信模块202、稳压降压模块203和原边能量传输模块204。

第一MCU微控制单元201读取4芯电缆输入的通信信号，然后通过第一无线通信模块202将信号传送到接收端，同时，第一MCU微控制单元201可以根据信号内容对原边能量传输模块204进行开关控制。

第一无线通信模块202用于与接收端的无线通信模块建立连接，实现通信信号的无线传输。原边能量传输模块204为发射端线圈提供高频激励源，同时可以接收第一MCU微控制单元的开关控制，在无需充电时断开开关，发射端线圈没有电流通过，需要充电时打开开关，为接收端提供供电。

稳压降压模块203分为第一稳压电路205和降压电路206。稳压降压模块203接收4芯电缆输入的供电电源，经过第一稳压电路205稳压后将电压输入到原边能量传输模块204，通过降压电路206为第一MCU微控制单元201和第一无线通信模块202供电。

原边能量传输模块204分为开关电路207、逆变电路208和第一补偿电路209。逆变电路208由电压型逆变桥构成，电压型逆变桥为发射端线圈提供高频激励源。开关电路207由三极管或者MOSFET开关管构成，开关电路207接收第一MCU微控制单元201开关控制，在无需充电时断开开关，发射端线圈没有电流通过；需要充电时打开开关，发射端线圈有电流通过，为接收端提供电能。第一补偿电路209可以补偿漏感造成的电能传输损失。

如图3所示，接收端控制器103包括：能量接收模块301、电压检测电路302、第二MCU微控制单元303和第二无线通信模块304。

能量接收模块301由整流电路305、第二稳压电路306和第二补偿电路307构成，整流电路305和第二稳压电路306将接收端线圈接收的能量整流稳压后输出到外部4芯电缆电源线连接的充电电池组108，为电池组充电；第二补偿电路307可以补偿漏感造成的电能传输损失。

电压检测电路302检测外部充电电池组108的电压情况，并将充电电池组108的电压稳压后为第二MCU微控制单元303和第二无线通信模块304供电，当外部充电电池组108电压低于一定的阈值时，电压检测电路302拉低第二MCU微控制单元303输入端电压，然后第二MCU微控制单元303通过第二无线通信模块304请求发射端开始供电。

本实施例的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，工作原理为：

供电电源107的电压通过4芯线缆传输，首先进入第一稳压电路205，稳压处理后经过开关电路207、逆变电路208和第一补偿电路209，产生高频激励源，激励发射端线圈102产生磁通量变化，从而将能量发射出去。

当充电电池组108电压值低于设定阈值时，电压检测电路302向第二MCU微控制单元303发送低电平信号，第二MCU微控制单元303通过第二无线通信模块304向发射端控制器101发送充电请求，开关电路207导通，开始向接收端线圈104输出电力。

接收端线圈104将磁场转换为电流后，经过能量接收模块301的整流、稳压和补偿后，持续为外部充电电池组108充电，直至电量充满后，电压检测电路302向第二MCU微控制单元303发送高电平信号，第二MCU微控制单元303通过第二无线通信模块304向发射端控制器101请求关闭开关电路207，充电过程结束。

第一通信终端105发送数据信号到达第一MCU微控制单元201的读数据端口，第一MCU微控制单元201对数据信号解析判断，如果为开关控制信号，通过第一MCU微控制单元201的控制端口控制开关电路207实现对供电通路的开关控制；如果为数据传输信号，第一MCU微控制单元201将数据转发给第一无线通信模块202，进而将数据传输到接收端控制器103，第二无线通讯模块304将接收到的数据转发给第二MCU微控制单元303,进而传输给第二通信终端106，完成数据通信。

Claims (10)

1.一种水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端由发射端控制器、发射端线圈组成，所述接收端由接收端控制器和接收端线圈组成；所述发射端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与发射端线圈连接；所述接收端控制器，一端与4芯电缆密封连接，一端与接收端线圈连接；所述发射端线圈和接收端线圈通过电磁互感方式进行电力传输。

2.根据权利要求1所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述的发射端控制器包括稳压降压模块、MCU微控制单元、无线通信模块和原边能量传输模块；所述稳压降压模块用于接收4芯电缆输入的供电电源，并对输入电压进行稳压、降压处理；所述MCU微控制单元读取4芯电缆输入的通信信号，然后通过无线通信模块将信号传送到接收端；所述原边能量传输模块为发射端线圈提供高频激励源。

3.根据权利要求2所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述稳压降压模块包括稳压电路和降压电路；稳压电路对输入电压进行稳压，提供较高电压，为原边能量传输模块的激励源提供直流电源；降压电路对稳压后的电压进行降压处理，为MCU微控制单元和无线通信模块供电。

4.根据权利要求2所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述原边能量传输模块包含逆变电路、开关电路；逆变电路为发射端线圈提供高频激励源；开关电路用于控制发射端与接收端电力传输通路的通断。

5.根据权利要求4所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述MCU微控制单元控制开关电路的通断。

6.根据权利要求2所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述接收端控制器包括能量接收模块、电压检测电路、MCU微控制单元和无线通信模块；

所述能量接收模块用于将接收端线圈接收的能量整流稳压后输出到4芯电缆连接的外部充电电池组；

所述电压检测电路用于检测外部充电电池组的电压情况，并将电池组的电压稳压后为MCU微控制单元和无线通信模块供电。

7.根据权利要求4或6所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述的原边能量传输模块和能量接收模块分别设有补偿电路，用于补偿漏感造成的电能传输损失。

8.根据权利要求2-6任一项所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述的无线通信模块选自ZigBee模块或者蓝牙模块，与所述MCU微控制单元的信号读写端相连接。

9.根据权利要求1-6任一项所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：所述发射端线圈和接收端线圈为表层绝缘覆盖的铜导线绕制而成的同心圆线圈。

10.根据权利要求9所述的水下磁耦合谐振式无线充电及通信电缆接头，其特征在于：供电状态下，所述发射端线圈与接收端线圈圆心重叠、紧密贴合；线圈之间非金属绝缘材料总厚度约6-8mm。

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