CN103595145A

CN103595145A - 一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统

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Publication number: CN103595145A
Application number: CN201310533459.3A
Authority: CN
Inventors: 吴建德; 赵崇文; 杜进; 何湘宁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103595145B

Abstract

本发明公开了一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统，包括供电单元和受电单元；所述的供电单元包括功率输送模块和通讯信号接收模块，所述的受电单元包括功率接收模块和通讯信号发射模块；所述的功率输送模块与功率接收模块基于公共电感耦合；所述的功率输送模块与通讯信号接收模块耦合，所述的功率接收模块与通讯信号发射模块耦合，且功率传输与通讯信号传输基于不同的传输频率。本发明与传统的无通讯功能的无线能量传输电路相比，增加通讯功能的同时基本不增加成本和体积，同时不改变传统无线能量传输电路的控制方式；通讯速率高。

Description

一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统。

背景技术

无线能量传输技术作为一项近年来崛起的电能传输方法，在各个领域都有广泛应用。在许多消费类电子产品的使用中，电池的充电接口是一个十分关键的设计。由于接头处的磨损问题，会导致故障。而非接触式充电方式可以有效的避免此类问题。在一些医学应用领域，许多人造器官如起搏器等需要电能辅助供电，而此类供电措施往往需要内置电池来完成。同样的，使用无线充电技术可以有效为这些体内设备供电，同时减少维护次数，减轻了病人的痛苦。在大功率应用场合，如近年来兴起的电动汽车以及电动轨道交通等领域，无线能量传输技术可以避免供电接口处的磨损，以及接触式充电带来的接触火花等安全隐患。另外，在一些特殊的需要非接触式供电的场合如水下作业，矿山等，这项技术有着独特的优势。

无线能量传输的实现主要有两种方式：电感耦合和磁场共振。目前，电感耦合无线能量传输系统的输出功率较大、传输效率高，但是信号频率较低、传输距离较近；磁场共振无线能量传输系统的信号频率较高、传输距离较远，但是输出功率较小、传输效率较低。本发明属于电感耦合方式。

对于一个完善的无线能量传输系统，除了具有高效的电能转换电路，还需具备目标物体检测、系统状态监控、反馈控制、故障检测等功能，因此需要在原边和副边之间实现单向或双向数据通讯。现有无线能量传输系统中的通讯方式有以下几类：

（1）功率与信号传输在电路实现以及使用频率上完全独立，可采用专用的射频通讯模块（如蓝牙，ZIGBEE等）。申请号为200910049173.1和申请号为201210510534.X的中国专利采用了这种方式，该方式在一些场合使用方便，但是额外增加了体积和成本。该类方式的另一实现途径是：系统除了功率耦合电感外，额外增加一组通讯线圈。利用额外无线通讯模块或额外电感线圈技术中，功率载波和信号载波不通过公共电感线圈传输，功率模块和通讯模块电路不相连，控制上也是解耦的。但额外的通讯电感线圈不仅增加了系统体积，不适合用于某些体积敏感的场合，而且在功率和信号同时传输时，功率传输不可避免地会影响信号传输过程，因此对设计人员的要求较高。

（2）功率与信号传输共用耦合电感线圈并公用一个频段，如采用负载调制技术和功率放大器ASK调制技术。申请号为201210412054.X和申请号为201110100162.9的中国专利采用了该方式。在功率放大器ASK调制技术中以及负载调制技术中，信号直接调制到功率载波上，功率模块和通讯模块电路连接耦合，同时控制上不解耦。这种技术在能量接收端附加额外开关，通过切换负载阻抗实现反馈通讯。但这种技术存在几个缺点，首先通讯速率受到限制，即无法超过功率回路的开关频率；其次在大功率应用场合，这种技术会造成较大的功率损耗，降低无线能量传输系统的能量传输效率，因此更适合小功率场合。

（3）功率与信号传输时分复用公共电感线圈且不用同一个频段。申请号为200980156736.5的中国专利采用了该方式。公共电感线圈既可以传输功率也可以传输信号，这种技术功率模块和通讯模块电路上不连接，控制上解耦。但这种技术功率和信号不能同时传输，因此首先不适用功率较大的场合，其次通讯速率也受到时间分配的影响。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提供了一种适用于不同功率场合，通讯速率高，并且不增加额外线圈，且成本较低的双向通讯模块，从而使无线能量传输系统实现功率和信号同时传输。本系统中功率载波和信号载波频分复用公共电感线圈，功率模块和通讯模块电路连接上通过磁接口耦合，但是控制上是解耦的。

一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统，包括供电单元和受电单元；所述的供电单元包括功率输送模块和通讯信号接收模块，所述的受电单元包括功率接收模块和通讯信号发射模块；所述的功率输送模块与功率接收模块基于公共电感耦合；所述的功率输送模块与通讯信号接收模块耦合连接，所述的功率接收模块与通讯信号发射模块耦合连接，且功率传输与通讯信号传输基于不同的传输频率。

所述的功率输送模块与通讯信号接收模块以及功率接收模块与通讯信号发射模块均通过磁接口进行耦合，所述的磁接口为耦合电感，变压器或空心耦合电感线圈。

所述的功率输送模块包括逆变电路和原边谐振电路；所述的逆变电路用于将直流电能转换为交流电能，进而通过原边谐振电路将交流电能无线传输给受电单元；所述的功率接收模块包括整流电路和副边谐振电路；所述的整流电路通过副边谐振电路无线接收供电单元传输的交流电能，进而将该交流电能转化为直流电能；

所述的通讯信号发射模块用于对受电单元的状态信息进行调制，并将得到的调制信号通过副边谐振电路无线发送给供电单元；所述的通讯信号接收模块通过原边谐振电路接收受电单元发送的调制信号，并对该调制信号进行解调；

所述的原边谐振电路用于将逆变电路转换得到的交流电能通过磁耦合谐振的方式无线传输给受电单元，此外原边谐振电路还通过电感耦合的方式无线接收受电单元发送的调制信号；所述的副边谐振电路用于将通讯信号发射模块调制得到的调制信号通过电感耦合的方式无线发送给供电单元，此外副边谐振电路还通过磁耦合谐振的方式无线接收供电单元输送的交流电能。

所述的供电单元包括有原边控制模块，所述的原边控制模块用于控制功率输送模块和通讯信号接收模块，且功率输送模块的控制和通讯信号接收模块的控制在控制方式上是解耦的；

所述的受电单元包括有副边控制模块，所述的副边控制模块用于控制功率接收模块和通讯信号发射模块，且功率接收模块的控制和通讯信号发射模块的控制在控制方式上也是解耦的。

所述的通讯信号接收模块包括接收选频器和解调器，解调器的输出端与原边控制模块相连，解调器的输入端与接收选频器的输出端相连，接收选频器的输入端通过磁接口与原边谐振电路耦合。

所述的接收选频器用于接收特定频率的通讯信号。

所述的通讯信号发射模块包括发射选频器和调制器，调制器的输入端与副边控制模块相连，调制器的输出端与发射选频器的输入端相连，发射选频器的输出端通过磁接口与副边谐振电路耦合。

所述的发射选频器用于发射特定频率的通讯信号。

所述的调制器包括载波信号发生电路和功率放大电路；载波信号发生电路的输入端与副边控制模块相连，载波信号发生电路的输出端与功率放大电路的输入端相连，功率放大电路的输出端与发射选频器的输入端相连。

载波信号发生电路可以产生一个或多个高频载波信号，通过不同的调制方式，再经过功率放大电路放大后传递至磁耦合接口。

所述的调制器采用ASK、FSK或OFDM等调制方式。

所述的解调器包括滤波器和检波器；滤波器的输入端与接收选频器的输出端相连，滤波器的输出端与检波器的输入端相连，检波器的输出端与原边控制模块相连。

滤波器将采集的调制信号转化成没有功率载波的信号载波，检波器将所述的信号载波转化为数字信号；对应不同的信号调制方式用相应的解调电路将采集的信号解调出来。

所述的整流电路和逆变电路采用全桥电路、半桥电路或功率放大器。

所述的原边谐振电路为串联谐振电路、并联谐振电路或串并联谐振电路等。

所述的副边谐振电路为串联谐振电路、并联谐振电路或串并联谐振电路等。

所述的原边控制模块包括原边微控制器，原边驱动电路，原边采样电路；所述的原边微控制器分别与原边驱动电路和原边采样电路相连；原边微控制器向原边驱动电路发出功率输送信号，原边驱动电路根据该功率输送信号驱动功率输送模块工作；所述的原边采样电路将通讯信号接收模块输出的解调信息传输至原边微控制器。

所述的副边控制模块包括副边微控制器，副边驱动电路，副边采样电路；所述的副边微控制器分别与副边驱动电路和副边采样电路相连；副边微控制器向副边驱动电路发出通讯输送信号，副边驱动电路根据该通讯输送信号驱动通讯信号发射模块工作；所述的副边采样电路将功率接收模块输出的直流电流传输至副边微控制器。

本发明的有益效果为：

（1）与传统的无通讯功能的无线能量传输电路相比，增加通讯功能的同时基本不增加成本和体积，同时不改变传统无线能量传输电路的控制方式；（2）具有目标识别功能，即可通过通讯判断原边与副边的耦合线圈是否对准；（3）通讯速率高；（4）通讯模块所实现的通讯功能是双向的，对于不同应用系统目的可以适当剪裁，灵活性也更高；（5）功率传输过程不会显著影响信号传输，通讯可靠性有一定保证；同时通讯模块也显著地影响功率传输模块的功率传输效率，因此该系统适合不同的功率等级。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明能量传输部分的电路图。

图3为本发明通讯信号发射模块与系统连接的电路图。

图4为本发明通讯信号发射模块中功率放大器的电路图。

图5为本发明通讯信号发射模块的数字调制控制信号图。

图6为本发明通讯信号发射模块采用ASK数字调试方式的示意图。

图7为本发明通讯信号发射模块采用FSK数字调制方式的示意图。

图8为本发明通讯信号接收模块与系统连接的电路图。

图9为本发明控制模块与系统连接的示意图。

图10为本发明通讯模块发射端需调制的数字信号和接收端解调出的数字信号波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统，包括供电单元和受电单元；供电单元包括电源、功率输送模块、通讯信号接收模块和原边控制模块，受电单元包括负载、功率接收模块、通讯信号发射模块和副边控制模块。

功率输送模块包括逆变电路和原边谐振电路；功率接收模块包括整流电路和副边谐振电路。

本实施例中，逆变电路、原边谐振电路、整流电路及副边谐振电路负责将电能从电源传递到负载；原边谐振模块和副边谐振模块包括一对电感线圈，通过公共电感耦合实现电能的无线传输。

如图2所示，逆变电路由全桥变换器组成，其控制信号由原边控制模块发出，开关管Q1，Q4互补开通，开关管Q2，Q3互补开通，并且Q1与Q2驱动信号相位相差180度，所有开关管的驱动信号的频率调谐与原边谐振电路的谐振频率；原边谐振电路为串联谐振连接结构，由电感线圈L₁和L₃，电容C₁组成，电阻R₁为谐振回路的寄生电阻。功率输送模块与功率接收模块的无线能量传输基于一对电感线圈L₁和L₂。M为电感线圈L₁和L₂的互感，M值大小与无线能量传输距离，电感线圈尺寸等因素相关。副边谐振电路为串并联谐振连接结构，由电感线圈L₂和L₄，电容C₂组成，电阻R₂为谐振回路的寄生电阻。整流电路为二极管全波整流桥，输出端接滤波电容C和负载。

本实施例中，电感线圈L₁和L₂由利兹线螺旋绕制在绝缘圆形骨架上，其电感值L₁＝L₂＝153μH，互感值M=20μH，耦合电感原边电感值L₃＝L₄＝3.8μH，谐振电容C₁＝C₂＝0.33nF。原边谐振电路和副边谐振电路都调谐到同一谐振频率22.5kHz。本实施例中，逆变电路的全桥变换器中的开关管采用IRF公司的IRFB4227型MOSFET，整流电路的二极管全波整流桥中的二极管采用MCC公司的MUR160型二极管。

通讯信号接收模块和通讯信号发射模块主要负责供电单元和受电单元的信息通讯。通讯信号发射模块通过磁耦合接口连接于原边谐振电路，通讯信号接收模块通过磁耦合接口连接于副边谐振电路，磁耦合接口采用耦合电感，其无线通讯传输通路与功率传输通路共用一对电感线圈L₁和L₂。

如图3所示，通讯信号发射模块中包括电源部分，功率放大器部分、发射选频器及与副边谐振电路相连的磁接口部分。本实施例中，如图4所示，功率放大器选择CLASS-D级功率放大器。其中功率放大器中的开关管采用ST公司的SI2324型MOSFET，其驱动信号由副边控制模块发出，控制信号为V_gs5，V_gs6。如图5所示，可通过虚拟开关S1的通断将数字信号调制到高频信号载波上去。高频载波信号由功率放大器产生，其中LT4与C4构成发射选频器，其发射频率等于V_ab方波信号的频率，即高频载波信号的频率。在本实施例中，高频载波信号的频率为1.7MHz。其中L_T4＝3.8μH，C₄＝2.2nF。在本实施例中，如图6所示，数字调制方式采用ASK调制方式。另外，如图7所示，数字调制方式也可采用FSK调制方式，只需适当调整通讯信号发射模块的电路结构。

如图8所示，通讯信号接收模块包括与原边谐振电路相连的磁接口部分，接收选频器，有源高通滤波器和检波器。磁耦合部分并联一个高频电容构成接收选频器，使得由副边发射过来的载波信号尽可能传递到原边通讯模块。通过有源高通滤波器，将图6中的功率载波滤掉，留下高频信号载波并传递到检波器部分，最后由检波器取的调制在高频载波中的数字信号。本实施例中，L_T3＝3.8μH，C₃＝2.2nF。有源高通滤波器截至频率为800kHz。检波器采用二极管包络检波器。另外，对应不同的数字调制方式，通讯信号接收模块的解调方式相应调整。

如图9所示，原边控制模块分别连接功率输送模块和通讯信号接收模块；副边控制模块分别连接功率接收模块和通讯信号发射模块；通讯功能和无线能量传输功能能够同时进行，且通讯功能和无线能量传输功能的控制在控制方式上是解耦的。

副边控制模块包含功率接收模块状态采样和通讯信号发射字信号调制功能。副边控制模块通过副边采样电路对负载电阻电压电流采样，实时监控输出功率情况，并将采样得到的电压电流信息传给副边控制模块中的MCU。MCU将采样电压电流信息转化为数字信号，并通过上述数字调制方式输出相应数字信号，并由通讯信号发射模块调制到信号载波上。本实施例中MCU采用TI公司TMS320F28035型数字信号处理器。副边采样电路包含信号调理电路，采样A/D可采用MCU自带的采样A/D接口也可外接其他芯片。连接到通讯信号发射模块的驱动电路采用IRF公司的IR2101型驱动芯片。

原边控制模块包含通讯信号采样和逆变电路驱动功能。原边控制模块通过接收通讯信号接收模块中解调出来的电压电流信息，实时获取副边控制模块采样得到的输出功率监测信息。此电压电流信息送到原边控制模块的MCU中，并由MCU中编写的软件反馈算法，得出对逆变电路的控制信号，再通过驱动芯片将控制信号送到逆变电路中的各个开关管，以实现整个系统的闭环控制，状态监测以及故障检测等功能。本实施例中，MCU采用TI公司TMS320F28035型数字信号处理器。连接逆变电路的驱动芯片采用IRF公司的IR2101型驱动芯片。

本发明的功率传输过程简述如下：输入电源部分提供稳定的直流电，连接输入电源部分的逆变电路将直流电压变换为交流电，此交流电频率调谐与原边谐振电路的谐振频率，即交流电频率等于原边谐振电路的固有谐振频率。原边谐振电路包含功率传输电感线圈的原边，副边谐振电路包含功率传输电感的副边，从而将电能高效率地由原边传递到副边。与副边谐振电路相连的整流电路将交流电在转换为直流电，输出电源部分将整流电路输出的直流电稳定在需要的功率等级。当要求做双向能量传输时，上述过程是可逆的。

本发明的通讯传输过程简述如下：通讯信号发射模块需要将信号发送给通讯信号接收模块。通讯信号发射模块中载波信号发生器产生高频载波信号，经过控制电路将信号调制到高频载波上，其调制方式包括但不限于：ASK，FSK，OFDM等，经功率放大器将载波信号放大，再由磁接口耦合至功率输送模块中的谐振部分的一边。信号与功率可以通过同一电感线圈传递到谐振部分的另一边。通讯信号接收模块通过电磁耦合接受传递的信号，通讯信号接收模块通过磁接口耦合和接收选频器接受传递的信号，，经由解调电路输出解调的载波信号。对应不同调制方式，通过不同的解调电路最终解调得到由通讯信号发射模块发出的信号。上述通讯过程是可逆的。

在一些无线能量传输系统中，功率传输和信号传输通常使用不同的电感线圈对来实现功率和信号的同时传输。但此类实施方式占用空间体积较大，并且多个线圈之间的耦合也会对功率和信号的传输带来干扰。在本实施方式中，功率传输和信号传输时使用同一对电感线圈；另外功率传输和信号传输的控制是解耦的，因此信号传输的控制不受功率传输控制的制约，可以满足同时传输和分时传输的不同需求。如图10所示，信号发射与接收过程都保证了一定的可靠性和稳定性，通讯速率可以根据所应用的场合来选择。另外，在信号传输过程中，系统功率传输并没有受到干扰，满足了功率传输效率不受较大干扰的要求。

Claims

1.一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统，包括供电单元和受电单元；所述的供电单元包括功率输送模块和通讯信号接收模块，所述的受电单元包括功率接收模块和通讯信号发射模块；所述的功率输送模块与功率接收模块基于公共电感耦合；其特征在于：所述的功率输送模块与通讯信号接收模块耦合连接，所述的功率接收模块与通讯信号发射模块耦合连接，且功率传输与通讯信号传输基于不同的传输频率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的功率输送模块与通讯信号接收模块以及功率接收模块与通讯信号发射模块均通过磁接口进行耦合，所述的磁接口为耦合电感，变压器或空心耦合电感线圈。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的供电单元包括有原边控制模块，所述的原边控制模块用于控制功率输送模块和通讯信号接收模块，且功率输送模块的控制和通讯信号接收模块的控制在控制方式上是解耦的；

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的通讯信号接收模块包括接收选频器和解调器，解调器的输出端与原边控制模块相连，解调器的输入端与接收选频器的输出端相连，接收选频器的输入端通过磁接口与原边谐振电路耦合；

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的调制器包括载波信号发生电路和功率放大电路；载波信号发生电路的输入端与副边控制模块相连，载波信号发生电路的输出端与功率放大电路的输入端相连，功率放大电路的输出端与发射选频器的输入端相连。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的解调器包括滤波器和检波器；滤波器的输入端与接收选频器的输出端相连，滤波器的输出端与检波器的输入端相连，检波器的输出端与原边控制模块相连。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的整流电路和逆变电路采用全桥电路、半桥电路或功率放大器。