基于共享通道的能量信号并行传输系统

摘要

本发明公开一种基于共享通道的能量信号并行传输系统，包括能量输入装置、原边电能变换装置、能量耦合机构、副边电能变换装置以及负载，能量耦合机构由发射线圈Lp和拾取线圈Ls构成，其特征在于：在发射线圈Lp的两端并联有原边信号传输通道，在拾取线圈Ls的两端并联有副边信号传输通道，在原边电能变换装置与原边信号加载电路之间的能量传输通道上串接有原边高频阻波电路，在副边电能变换装置与副边信号加载电路之间的能量传输通道上串接有副边高频阻波电路。该系统不增设信号耦合机构，将信号传输通道直接并联在能量耦合机构上，利用能量耦合机构在能量传输的同时实现信号传输，采用高频阻波器，确保信号的传输不会对系统的能量传输性能造成影响。

说明书

技术领域

本发明涉及感应耦合电能传输技术，尤其涉及一种基于共享通道 的能量信号并行传输系统。

背景技术

感应耦合电能传输(IPT)技术是一种借助耦合磁场，实现电能 非接触式传输的新型电能接入技术。因为能量的发射端同能量的接收 端没有直接的物理接触，克服了传统电能传输的种种缺陷,使得电能 的传输过程具有安全、可靠及灵活性强的特点，受到了越来越多的关 注。目前已经在电动汽车、生物医电、家用电器、机器人等领域取得 了实际的应用与成功。

传统的IPT技术主要集中在对系统的能量传输等级、效率、电路 拓扑以及耦合结构等方面的优化设计。随着多能量发送端、拾取端， 能量双向传输等应用需求的出现，需要根据能量发送端及能量接收端 的运行状态，进行实时控制；同时，针对传感网络的应用，还需要实 现传感器的检测信号的传递，这就需要整个IPT系统具有与能量传输 系统并行的信号传输系统。如何实现IPT系统能量发送端和接收端间 的稳定、可靠、简便的信号传递也成为实现IPT技术应用推广所亟待 解决的问题。

目前，针对IPT系统的能量发送端和接收端的通信问题，广泛使 用是通过新增信号传输线圈，实现能量和信号的并行传输。虽然一定 程度上解决了能量发送端和接收端通信的需求，不过新增的通信接口 增加了整个系统的不稳定因素，同时两者之间的相互串扰问题影响了 整个系统的性能及鲁棒性。

有学者提出在能量传输回路中串接耦合变压器，将高频载波信号 耦合到能量回路中，实现数字信号载波的传输。高频信号载波的引入 会在能量回路带来谐波干扰，降低能量传输品质，且由于系统能量传 输回路谐振补偿电路的存在，信号载波会被削弱难以顺利通过。

中国专利201410016053.2也公开了一种基于多谐振技术的无线 能量和信号同步传输系统，该系统是为了解决现有的能量和信号的同 步传输方法的传输能量受幅度调制的影响，不能获得稳定的功率输出 的问题。它具有多个谐振点的LC串并联电路作为原/副边谐振匹配电 路，使得能量传输和通信分别使用不同的频率，在实现能量和数据同 步传输的同时，将二者的相互影响减至最低。但是该系统中的信号传 输通道并联在能量耦合机构L和谐振电容C构成的LC谐振补偿电路 外，传输的信号必须经过谐振电容，对信号的影响仍然比较严重，同 时能量传输时，也会有一部分进入信号传输通道中，随着系统能量传 输功率的加大，信号提取线圈承受的电流变大，能量传输对信号解调 的干扰增加，影响信号的解调。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种基于共享通道的能量信号 并行传输系统，将信号加载和检波回路与能量耦合结构并联，利用 LC的带通和带阻特性阻断信号载波进入能量传输回路，并阻断能量 传输进入信号传输通道，消除信号载波传输在能量回路的谐波干扰， 降低了能量传输对信号传输的影响，在不影响能量传输的基础上，实 现信号的双向传输。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于共享通道的能量信号并行传输系统，包括能量输入装 置、原边电能变换装置、能量耦合机构、副边电能变换装置以及负载， 所述能量耦合机构由发射线圈L_p和拾取线圈L_s构成，在能量耦合机构 与原边电能变换装置之间设置有原边谐振补偿电路，其关键在于：在 所述发射线圈L_p的两端并联有原边信号传输通道，在所述拾取线圈L_s的两端并联有副边信号传输通道，所述原边信号传输通道由耦合变压 器T₁的一个绕组、调谐电容C₁以及耦合变压器T₃的一个绕组串联而 成，所述耦合变压器T₁作为原边信号加载电路，其另一个绕组加载向 副边发送的信号，所述耦合变压器T₃作为原边信号拾取元件，其另一 个绕组并联检波电容C₃后构成原边检波电路，所述副边信号传输通道 由耦合变压器T₂的一个绕组、调谐电容C₂以及耦合变压器T₄的一个绕 组串联而成，所述耦合变压器T₂作为副边信号加载电路，其另一个绕 组加载向原边发送的信号，所述耦合变压器T₄作为副边信号拾取元 件，其另一个绕组并联检波电容C₄后构成副边检波电路，在所述原边 电能变换装置与所述原边信号加载电路之间的能量传输通道上串接 有原边高频阻波电路，在所述副边电能变换装置与所述副边信号加载 电路之间的能量传输通道上串接有副边高频阻波电路。

作为进一步描述，所述原边高频阻波电路与所述副边高频阻波电 路均是由电感、电容并联而成的带阻滤波电路，其中心频率为信号载 波频率。

再进一步描述，所述原边信号传输通道与副边信号传输通道中的 耦合变压器和调谐电容分别构成一个带通滤波电路，其中心频率为信 号载波频率。

为了便于实现的数字信号的调制，所述原边信号加载电路与所述 副边信号加载电路分别连接有一个用于加载数字信号的开关键控调 制模块，通过开关键控将数字信号调制为载波信号。

为了保证能量传输效率，所述原边谐振补偿电路为原边谐振电 容。

同理，在能量耦合机构与副边电能变换装置之间设置有副边谐振 补偿电路，该副边谐振补偿电路为副边谐振电容。当然，如果能量耦 合机构的耦合系数较高，副边谐振电容也可以省略。

本发明的显著效果是：

本发明提出的一种基于共享通道的能量信号并行传输系统，不需 额外增加信号耦合机构，将信号传输通道直接并联在系统已有的能量 耦合机构上，中间并没有谐振补偿电容，且在信号传输通道和能量变 化装置串联了高频阻波电路，根据高频阻波电路并联谐振的阻抗特 性，调节谐振频率等于信号载波频率，这样其特征阻抗对信号载波来 说足够大，相当于断路，高频阻波电路可以将信号传输通道中的信号 加载电路和信号检波电路同能量传输通道中的谐振电容阻断，信号载 波不会再通过谐振电容，而是直接通过耦合机构，不会对信号载波造 成衰减作用。其次，信号加载电路和检波电路中，调谐电容和耦合变 的一个绕组串联，只需要调节其谐振频率等于信号载波的频率，根据 串联谐振的阻抗特性，其特征阻抗在信号载波下极小，信号载波可以 顺利通过，而对于能量频率而言，其阻抗却相当大，这样对于能量来 说，相当于断路，该支路并不会对能量的传输造成影响，可以真正意 义上的实验能量信号的无干扰并行传输。其次当能量的频率在一定范 围内发生变化时，其阻抗依旧足够大，可以保证能量的软开关工作模 式。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是传统IPT系统中增加高频阻波电路后的电路原理图；

图3是信号传输通道的电路原理图；

图4是无信号传输通道时系统能量传输的Bode图；

图5是有信号传输通道时系统能量传输的Bode图；

图6是能量传输对信号正向传输的影响Bode图；

图7是能量传输对信号反向传输的影响Bode图；

图8是信号传输的Bode图；

图9是数字信号调制效果图；

图10是信号解调电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步 详细说明。

如图1-图3所示，一种基于共享通道的能量信号并行传输系统， 包括能量输入装置、原边电能变换装置、能量耦合机构、副边电能变 换装置以及负载，所述能量耦合机构由发射线圈L_p和拾取线圈L_s构 成，在能量耦合机构与原边电能变换装置之间设置有原边谐振补偿电 路，其特征在于：在所述发射线圈L_p的两端并联有原边信号传输通道， 在所述拾取线圈L_s的两端并联有副边信号传输通道，所述原边信号传 输通道由耦合变压器T₁的一个绕组、调谐电容C₁以及耦合变压器T₃的 一个绕组串联而成，所述耦合变压器T₁作为原边信号加载电路，其另 一个绕组加载向副边发送的信号，所述耦合变压器T₃作为原边信号拾 取元件，其另一个绕组并联检波电容C₃后构成原边检波电路，所述副 边信号传输通道由耦合变压器T₂的一个绕组、调谐电容C₂以及耦合变 压器T₄的一个绕组串联而成，所述耦合变压器T₂作为副边信号加载电 路，其另一个绕组加载向原边发送的信号，所述耦合变压器T₄作为副 边信号拾取元件，其另一个绕组并联检波电容C₄后构成副边检波电 路，在所述原边电能变换装置与所述原边信号加载电路之间的能量传 输通道上串接有原边高频阻波电路，在所述副边电能变换装置与所述 副边信号加载电路之间的能量传输通道上串接有副边高频阻波电路。

通过图3可以看出，所述原边高频阻波电路与所述副边高频阻波 电路均是由电感、电容并联而成的带阻滤波电路，其中心频率为信号 载波频率，所述原边信号传输通道与副边信号传输通道中的耦合变压 器和调谐电容分别构成一个带通滤波电路，其中心频率为信号载波频 率，所述原边谐振补偿电路为原边谐振电容，由于能量耦合机构的耦 合系数较高，本例中未设置副边谐振电容。

为了进一步理解本系统的性能，下面对添加的并联信道对能量传 输的影响，以及能量传输过程对信号传输过程的影响进行了分析，具 体实施时，结合图2、图3中各个元件的标识，系统参数如表1所示。

表1系统参数

首先分析信号传输通道的加入对系统能量传输过程的影响，在为 加入信号传输通道时，系统结构如图2所示，假设系统逆变输出电压 为V_in，系统等效负载为R_e，系统负载端电压为V_out，谐振频率为ω， 忽略高频阻波电路对系统阻抗的影响，则能量拾取端阻抗为： z₂＝jωL_s+R_s+R_e；

其反射阻抗为：

则能量发射端的阻抗为：$z_1={\mathrm{j\omega L}}_p+R_p+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_p}+z_{21};$

则能量发射端的电流为：

能量拾取端拾取到的电压为：v₂＝jωMi₁；

可以得到系统的负载输出电压为：

则可得到系统能量输入到负载端的增益为：

当加入并联信道后，能量拾取端的阻抗为：

z_s为并联信道的阻抗：$z_s={\mathrm{j\omega L}}_{T32}+{\mathrm{j\omega L}}_{T12}+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}+z_{42};$

z₄₂为检波在信道的反射阻抗：$z_{42}=\frac{{\omega }^2{M}^2}{z_4};z_4={\mathrm{j\omega L}}_{T31}+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_3};$

由信道的对称，发送端信道阻抗z_p'＝z_s'，能量拾取端的反射阻 抗为z₂₁'，能量发送端的阻抗为：

则能量发送端的电流为：

则能量发送端的端电压为：

则流过能量耦合机构的电流为：

可得能量拾取端电压为：v₂'＝jωMi₁'；

则负载端的电压为：

同样地，可以得到加入信号传输通道后系统能量输入到输出端的 增益，得到两种情况下系统能量传输的波特图，分别为图4和图5所 示，比较加载并联信道前后能量传输的波特图可知，在低频率段(低 于1000kHz)，波特图的趋势及相应频率下的增益、相位几乎一致， 可知并联信道对于系统能量传输过程的影响几乎可以忽略。

接下来我们分析能量传输对信号正向传输的影响，如图3所示， 信号正向传输过程由耦合变压器T₁注入信号载波，T₄从信道中提取 信号载波，能量高频谐波可能串入信道，影响信号的解调。这里建立 系统逆变输出同信号检波电路输出的关系，确定系统能量传输对信号 正向传输的影响。

能量拾取端电压为v₂'＝jωMi₁'，则信道的电流为：

信号检波的输出电压为：V_out1'＝jωM₃i_s；

则可得到信号检波输出电压V_out1同V_in的波特图如图6所示。

由图6信号检波对能量输入的波特图，信号正向传输时，高频电 能到信号接收端检波电路的增益可达到-95.5dB，能量传输过程在信 号传输过程的干扰被很大的削弱；即使对于其高次谐波(高于 1.48MHz)其增益依旧可以达到-39.3dB，在信号检波电路的干扰极小。 选择合适的信号载波，使得信号检波得到的信号载波幅值V_out1大于 能量传输在信号载波电路的干扰V_out1’，能量传输对信号正向传输的 影响也可以忽略。

接下来我们再分析能量传输对信号反向传输的影响，信号反向传 输时，干扰主要来自耦合变压器T₃耦合到的来自高频电能谐波。由 能量发送端的端电压为：可知发送端信道的电流 为：${i_t}^{\prime }=\frac{{V_t}^{\prime }}{{z_p}^{\prime }};$

则信号检波电路的端电压为：V_out2'＝jωM₃i_t'；

则可得到V_out2’-V_in的波特图，如下图7所示。

信号反向传输过程中，高频电能在信号接收电路上的增益可达到 -85.7dB，能量传输对信号传输过程的影响被很大的削弱，其高次谐 波(高于1.32MHz)的增益也达到-27.1dB，能量传输对系统信号传 输的影响也很小。

在信号传输过程中，高频阻波电路阻断信号载波进入能量传输回 路，能量传输回路对于信号载波相当于短路。信道的对称性，这里只 对信号正向传输过程信号载波的衰减情况进行介绍。载波输入为V_in1， 检波输出为V_out1，得到其波特图曲线如图8所示。

通过分析图8可知，信号载波在信道传输过程，增益有三个峰值， 频率为1.48MHz时，增益达到5.89dB。结合、能量传输对信号传输 影响的波特图，选择合适的信号载波频率，实现信号载波的双向传输， 同时能量传输的影响降到最低，实现能量信号的实时同步传输。

为了更好的实现信号传输，所述原边信号加载电路与所述副边信 号加载电路分别连接有一个用于加载数字信号的开关键控调制模块。 信号加载采用开关键控OOK(On-Off-Keying)的调制方式，当数字 信号为1时，输出连续的载波，当数字信号为0时，关闭载波输出， 通过开关电路完成信号的调制，在输出端得到带有数字特征的载波信 号，调制过程如图9所示。

从检波电路得到的带有数字载波和能量谐波的复合载波，经过带 通滤波器，选择合适的比较器阈值，得到数字载波信号，经过单稳触 发器，复原出数字信号，完成信号的解调，其结构如图10所示。

综上所述，本发明提出的这种共享通道的模式实现IPT系统的能 量信号实时同步传输。不需额外增加信号耦合机构，将信号加载和检 波电路并联在系统已有的能量耦合机构上，实现了在不影响系统能量 传输的前提下，能量的单向传输，信号的半双工双向传输，可通过与 耦合线圈并联的信道，实现信号载波注入到耦合线圈，以及从耦合线 圈中提取信号载波，能量传输可以工作在软开关模式，降低对信号传 输的辐射干扰，同时不会受到信号传输的影响；信号传输的速率最低 都能能达到19.2Kbps，且为半双工、双向传输，其误码率完全可以达 到低于万分之一的要求，具有很大的应用前景。