单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置

摘要

本发明提供一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置，能量传输通道通过能量发射极板与能量接收极板构成的单电容耦合结构实现电能无线传输；信号发送装置经过信号调制电路连接有信号发送极板和能量接收极板，信号接收装置经过信号解调电路和滤波电路连接有信号接收极板和能量发射极板，信号传输通道利用能量接收极板和能量发射极板构成的第一耦合电容以及信号发送极板和信号接收极板构成的第二耦合电容共同构成信号传输回路实现信号无线传输。本发明的优点在于采用了单电容进行能量传输，并且实现了信号从电能接收端向电能发送端的无线传输，信号传输极板可以做的非常小，可有效地降低系统的成本，增强了系统的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置。

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。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。现在主流的EC-WPT系统使用的是两对能量极板正对构成双极板式的耦合机构实现能量的传输。但是采用传统的两对能量极板正对的形式存在一些不足：移动电气设备在两对金属板的制约下灵活性较差；当金属障碍物横跨两对耦合极板的耦合区时，系统难以实现穿越金属障碍传能；由于EC-WPT系统的高驱动频率，耦合极板的交叉耦合随着耦合距离增加会更加显著，这在增加系统复杂度的同时影响电能传输；多负载供电系统中，负载可移动性受到限制。

使用单电容耦合无线电能传输系统能够很好地克服传统双极板式耦合机构存在的一些缺点，更有利于节约装置成本、提高移动设备灵活性以及实现跨越金属障碍物进行能量传输等。在电能的无线传输过程中，系统需要实现信号从电能接收端向电能发射端的传输，从而实现闭环控制以达到改善系统鲁棒性，提高系统效能的目的，例如对于医用设备无线充电系统来说，医用设备需要实现向充电系统回传电池数据实现对电量的控制同时向上位机传输病人实时情况，它就需要实现信号从电能接收端向电能发送端的传输，除此之外，在矿井，电动汽车等应用场合需要实现在电能传输的同时，电能接收端回传数据。

而现有技术中，还未发现基于单电容耦合的无线电能传输系统能够同时满足能量与信号并行传输的需求。

发明内容

基于上述缺陷，本发明的目的在于提出一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置，使其在无线能量稳定传输的同时，还能够将信号从电能接收端传输到电能发送端。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置，包括能量传输通道和信号传输通道，其关键在于：所述能量传输通道的发射端设置有一块能量发射极板和原边补偿结构，所述能量传输通道的接收端设置有一块能量接收极板和副边补偿结构，所述能量传输通道通过所述能量发射极板与所述能量接收极板构成的单电容耦合结构实现电能无线传输；

所述信号传输通道设置有信号发送装置和信号接收装置，所述信号发送装置经过信号调制电路连接有信号发送极板和所述能量接收极板，所述信号接收装置经过信号解调电路和滤波电路连接有信号接收极板和所述能量发射极板，所述信号传输通道利用所述能量接收极板和所述能量发射极板构成的第一耦合电容以及所述信号发送极板和所述信号接收极板构成的第二耦合电容共同构成信号传输回路实现信号无线传输。

可选地，所述原边补偿结构设置有谐振电感L

可选地，在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谐振补偿电路。

可选地，在能量传输通道的发射端设置有直流电源，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谐振补偿电路，所述副边整流滤波电路的输出端为负载供电。

可选地，所述原边谐振补偿电路和所述副边谐振补偿电路均为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，所述滤波电路为RC高通滤波电路。

可选地，所述能量发射极板设置为圆形平面板、方形平面板或圆筒形极板，所述能量接收极板对应设置为圆形平面板、方形平面板或圆筒形极板。

可选地，所述信号发射极板设置为圆形平面板、方形平面板或圆筒形极板，所述信号接收极板对应设置为圆形平面板、方形平面板或圆筒形极板。

可选地，当所述能量发射极板和所述能量接收极板均设置为圆筒形极板时，二者按不同的半径且可嵌套式设置。

本发明的效果是：

采用了单电容进行能量传输，并且实现了信号从电能接收端向电能发送端的无线传输，耦合机构只需要一对能量极板和一对信号极板，一对能量极板实现电能从发射端向接收端的传输；一对能量极板和一对信号极板共同构成信号传输通道实现电能接收端向电能发射端的信号传输；信号传输极板可以做的非常小，可有效地降低系统的成本，增强了系统的灵活性，特别适合需要进行电能与信号并行传输的二维平面移动设备的无线供电、充电、信息交互以及控制。

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系统架构图；

图2为图1的等效电路原理图；

图3为图1中电能传输通道的等效电路图；

图4为图1所示系统的电能传输通道的参数设计流程图；

图5为图1中信号传输通道的等效电路图；

图6为图1所示系统的信号传输通道的参数设计流程图。

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，本实施例提供一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置，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一块能量发射极板和原边补偿结构，所述能量传输通道的接收端设置有一块能量接收极板和副边补偿结构，所述能量传输通道通过所述能量发射极板与所述能量接收极板构成的单电容耦合结构实现电能无线传输；

所述信号传输通道设置有信号发送装置和信号接收装置，所述信号发送装置经过信号调制电路连接有信号发送极板和所述能量接收极板，所述信号接收装置经过信号解调电路和滤波电路连接有信号接收极板和所述能量发射极板，所述信号传输通道利用所述能量接收极板和所述能量发射极板构成的第一耦合电容以及所述信号发送极板和所述信号接收极板构成的第二耦合电容共同构成信号传输回路实现信号无线传输。

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E

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，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平面板、方形平面板、圆筒形极板或其他任何形状，当所述能量发射极板和所述能量接收极板均设置为圆筒形极板时，二者按不同的半径且可嵌套式设置，同时金属材料可以是铜，铝或其他金属材料，能量发射极板G和能量接收极板H的几何参数和正对间距由装置实际应用场所决定。

全桥型逆变电路可以将系统的直流电压转换为高频交流电注入电能发射端LC补偿网络，LC补偿电路可以减小系统的无功功率，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，接收端补偿电路通过电感L

而信号传输通道中，信号发送装置、信号调制电路、信号发送极板M以及能量接收极板H共同构成信号发送端。信号接收极板N、能量发送极板G、滤波电容C

上述系统在实施过程中，其等效电路如图2所示，采用基波近似的方法简化系统，直流电源通过高频全桥逆变器将直流电转换成交流电等效为交流电源u

信号发送装置产生需要发送的信号，经信号调制模块转换为带有信息的高频载波，可等效为u

为了保证电能传输和信号传输的品质，避免能量传输和信号传输的相互影响，需要关注的是信号在传输时，信号会出现相应的衰减，此外电能通道的传输还会干扰到信号传输效果。为了保证系统整体的性能，需要信号尽量走信号极板C

对能量传输通道的参数进行设计时，由于电能传输在极板上产生的电压远远高于信号载波的电压，所以信号载波对电能传输产生的影响几乎可以忽略，此时，系统电能传输通道的等效电路图如图3所示：

分析电能发射端构成的回路S

其中，ω

分析电能接收端构成的回路S

进一步地，对于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，为保证极板上激励电压满足能量传输的要求，能量极板上的激励电压要求较高，但是考虑电磁辐射以及安全性问题，能量极板上形成的交互电场也不宜太强，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C

对信号回路进行设计时，由于信号传输的频率高于能量传输的频率，所以在信号回路中设置了RC高通滤波器，能够滤除电能传输给信号传输带来的低频串扰，同时使得高频信号正常传输，此时，系统信号通道等效电路图如图5所示：

根据图5，我们可以列出检测电阻R

定义信号传输增益为Gss，有：

通过分析可以看出，期望信号传输增益越大，则检测电阻两端的信号拾取电压就应该越大，其中，C

系统信号传输的频率f

ω

电容在电路中具有“隔直通交”的作用，工程应用中信号极板之间的间距和能量极板一般相同，信号极板要求做的尽量小，但是又不能影响信号传输的稳定性和速率，这需要对信号极板的大小形状等进行约束考虑。合理配置信号回路当中的检测滤波电路使系统工作的时候信号回路对能量传输的阻抗足够大，令能量将无法直接通过信号极板进行传输，这能减轻能量对信号传输的影响，故在系统设计中按照工程应用要求，在保证信号尽可能衰减少、噪声小的情况下，信号回路对能量回路的阻抗足够大。

此外，影响能量与信号并行传输功能的重要因素是能量极板与信号极板之间的交叉耦合对信号传输以及能量传输造成的影响。按照前文的叙述，信号发射极板和信号接收极板的尺寸变小，它与能量传输极板之间的交叉耦合值也会随之减小，若合理地设置信号极板与能量极板之间距离，信号极板与能量极板之间的交叉耦合将变得更小。对于能量传输通道来说，可以忽略能量和信号极板之间的交叉耦合带来的影响。对于信号传输回路来说，它的极板间电容相对于能量极板间电容更小，对交叉耦合带来的影响更加敏感，所以可以将信号极板与放在传统对称双极板空间的最边缘或者采用屏蔽措施有效地减少交叉耦合对信号传输带来的影响。信号传输通道参数设计流程图如图6所示。

为了进一步验证本发明的效果，下面按照前文所给的参数设计方法，根据应用需求进行实验测试，将本次实验中的电能传输频率f

表1系统参数取值

根据参数取值，搭建实验装置。采用实验验证的方法，对本系统需要实现的功能进行验证。实验装置由直流电源、全桥逆变器、发射端LC补偿电路、单电容发射极板G、单电容接收极板H、接收端LC补偿电路、信号发送装置，发射端信号调制电路，信号发射极板M、信号接收极板N、接收端信号解调电路、信号接收装置、检测电阻、滤波电容、整流滤波电路和负载组成。

实验期望能量能够可靠稳定地传输过去，信号传输速率达到1Mbps。

实验装置中，高频全桥逆变器使用4个IMZ120R060M1型号的MOSFET，电感是0.04*1200的高频利兹线绕制而成的空心电感，电容为高频耐高压电容，整流器由2个GHXS045A120S-D3型号的并联二极管构成，单电容电能发射极板和接收极板由两块铝板构成，两块铝板正对形成电容C

信号调制和解调模块使用LW-MPA223电力通信模块完成调制与解调。模块可以通过多种方式实现信号的发送与接收，如使用单片机和PC机，为了更直观展示数据的高速传输，实验采用两台PC机作为信号发送与信号接收装置。根据模块接口的定义，电源接口接12V供电，四个网络接口接到网线对应的引脚上，网线另一端与PC机相连，电力通信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。为了直观展示信号传输的速度，在两台PC机间利用信号回路构建局域网，基于此局域网两台PC机构建共享文件夹，信号接收端通过访问信号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，观察文件是否可以正常打开从而验证数据传输的准确性。

实验证明，能量能够可靠稳定地从电能发射端传输到电能接收端，信号传输速率达到1.73Mbps。

综上所述，本发明通过提供一种单电容耦合无线电能传输系统能量与信号并行传输装置，它能够将信号从电能接收端传输到电能发送端并实现电能稳定传输。相比于传统的双极板电容耦合式无线电能与信号同步传输方式，本发明的优点在于采用了单电容进行能量传输，并且实现了信号从电能接收端向电能发送端的无线传输，耦合机构只需要一对能量极板和一对信号极板，一对能量极板实现电能从发射端向接收端的传输；一对能量极板和一对信号极板共同构成信号传输通道实现电能接收端向电能发射端的信号传输；信号传输极板可以做的非常小，可有效地降低系统的成本，增强了系统的灵活性，特别适合需要进行电能与信号并行传输的二维平面移动设备的无线供电、充电、信息交互以及控制。

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。