CN104779714A - 一种高速无线携能通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速无线携能通信系统，属于无线能量传输装置。本发明包括频率调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线通信信号接受电路；其中所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的非谐振类变换器，所述无线电能接受电路包括接受线圈、谐振电容、负载，所述无线通信信号接受电路包括接受线圈、谐振电容和无线信号处理电路。本发明直接控制非谐振类变换器中发射线圈的三角波电流频率，利用三角波电流信号中的基波能量实现磁耦合谐振无线供电，利用三角波中的谐波能量实现无线通信。该发明提高了无线携能通信装置的可靠性，容易在全范围内实现ZVS开关，EMI干扰也较低，具有广阔的应用前景。

Description

一种高速无线携能通信系统

技术领域

本发明涉及一种无线携能通信系统，具体涉及一种利用电流三角波中的基波能量磁耦合谐振的无线供电技术，属于无线能量传输技术领域。

背景技术

非辐射性磁耦合谐振作为新型无线供电技术，通过使两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，而对周围非谐振频率的接受端只有较弱的耦合。磁耦合谐振系统包括发射谐振线圈、次级接受谐振线圈和负载。无线供电应用场合通常需要无线通信，按照能量流与信息流的实现方式，主要分为单流模式和双流模式。其中双流模式采用能量流与信息流分开实现，如采用蓝牙等无线装置实现信息流。这种方式成本相对较高，电路复杂。而单流模式利用同一套装置实现能量流与信息流的复用。

当需要传递通信信号时，目前单流模式也有两种实现方案，一种是当能量流传输时认为是高电平，当能量流中断时认为是低电平。显然这样的方式存在较大的弊端，当数据量较大时影响正常供电，对无线供电的品质影响较大。另一种方案是采用改变发射线圈的工作频率，当接受线圈工作在最佳状态时，判定是一种通信信号状态，同时实现最佳能量传输。当频率变化偏离接受线圈最佳工作状态，判定是另一种通信信号状态，此时还有能量能够传递到接受端。但当数据量较大时，这样的方法还是会影响无线供电的品质。因此需要研究高速无线携能通信高效率工作电路，解决单流模式工作时无线通信影响无线供电品质的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对无线携能通信应用场合，提出一种利用三角波中的谐波能量实现无线通信功能的方法，用于需要为无线电能供电的场合，实现高效率、高可靠性的磁耦合无线供电与无线通信电路复用的解决方案。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高速无线携能通信系统，包括频率调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线通信信号接受电路；其中，所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的非谐振类变换器；所述频率调制模块向驱动电路输出控制信号；所述驱动电路根据控制信号控制非谐振类变换器中的开关器件动作，向发射线圈传输正负电压幅值和持续时间均相等的电压方波，控制发射线圈的三角波电流频率；所述发射线圈通过三角波电流信号中的基波分量产生磁场，与无线电能接受电路产生磁共振，使得无线电能接受电路接受到磁共振传递的能量，实现磁耦合谐振无线供电；所述无线通信信号接受电路接受发射线圈三角波电流信号中的谐波分量，实现无线通信。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述无线电能接受电路包括接受线圈、谐振电容和负载，所述接受线圈与谐振电容、负载分别相并联；接受线圈接受到磁共振传递的能量并传递给负载。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述无线通信信号接受电路包括谐振电路和无线信号处理电路，所述谐振电路与无线信号处理电路相并联。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述发射电路包括一个输入电容，输入电容并联于输入电源的两端；所述非谐振类变换器为全桥逆变器，全桥逆变器并联于输入电源的两端；所述发射线圈的两端分别连接全桥逆变器的两个桥臂的中点。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述全桥逆变器包括由第一开关管、第三开关管组成的第一桥臂，以及由第二开关管、第四开关管组成的第二桥臂，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，且第一控制信号和第二控制信号为互补的方波信号，其中，第一控制信号控制第一开关管和第四开关管的导通，第二控制信号控制第二开关管和第三开关管的导通。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述谐振电路包括接受线圈和谐振电容，其中接受线圈和谐振电容相并联。

进一步的，本发明的一种高速无线携能通信系统，所述谐振电路包括接受线圈和接受线圈寄生电容。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明直接控制非谐振类变换器中发射线圈的三角波电流频率，利用三角波电流信号中的基波能量实现磁耦合谐振无线供电，利用谐波能量实现无线通信，提高了无线携能通信装置的可靠性，电路结构简单，无线通信信号传输时对无线供电品质影响较轻，全桥逆变器容易在全范围内实现ZVS开关，EMI干扰也较低，可广泛应用于大功率无线供电场合，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的实施例一中利用无线高速携能通信方法的实现电路。

图2是本发明的实施例一中的全桥逆变器驱动信号和发射线圈电流波形。

图3是本发明的实施例一中的发射线圈三角波电流能量频谱分布图。

图4是本发明的实施例一中的全桥逆变器中功率开关管的ZVS实现图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出的一种高速无线携能通信系统，包括频率调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线通信信号接受电路；发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的非谐振类变换器；无线电能接受电路包括接受线圈、谐振电容和负载，所述接受线圈与谐振电容、负载分别相并联；无线通信信号接受电路包括谐振电路和无线信号处理电路。

所述发射电路包括一个输入电容，输入电容并联于输入电源的两端；所述非谐振类变换器为全桥逆变器，全桥逆变器并联于输入电源的两端；所述发射线圈的两端分别连接全桥逆变器的两个桥臂的中点。

如图1所示，发射电路由直流电源V1、输入电容C1、开关管Q1-Q4组成的全桥逆变器，以及发射线圈L1构成。接受电路包括接受线圈L2、电容C2和负载R1。控制电路产生两路控制信号给Q1-Q4，其中第1路控制信号给Q1和Q4，第2路控制信号给Q2和Q3。第1路控制信号和第2路控制信号为互补导通的方波信号，并留有一定的死区。

如图2所示，其给出了全桥逆变器驱动信号和发射线圈电流波形。为方便体现本申请思想，图2中定义f₁＝1MHz频率下的工作波形。事实上可以根据接受线圈的谐振频率定义工作周期以达到最好的控制效果。

如图3所示,其给出了本发明的优选实例的发射线圈电流能量频谱分布图。图3中控制电路给出高频信号f₁＝1MHz，可见大部分电流引起的磁场能量集中在1MHz频率段，在3次、5次等高频奇次谐波处同样包含相对集中的能量。

三角波的傅里叶级数形式为： $f\left(t\right)=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}[\sin \left(t\right)-\frac{1}{9}\sin \left(3t\right)+\frac{1}{25}\sin \left(5t\right)-...].$

频率调制模块输出高频信号给驱动电路，并为Q1-Q4开关管提供高频工作所需的驱动能力，此时频率调制模块给开关管Q1-Q4提供的开关频率为f₁。其中频率调制模块产生的方波驱动信号频率f₁和接受线圈电感量L₂、谐振电容量C₂乘积相同即f₁＝f₂。由于发射线圈中电流所引起的磁场频率和接受线圈频率相同，因此接受线圈L2能够接受到磁谐振传递的能量并传递给负载。无线通信信号处理电路接受电路电感量L₃、谐振电容量C₃乘积与谐波频率点相同，如5次谐波

当控制开关频率变化Δf，则基波能量的频率点变化为f₁±Δf，而谐波能量频率点则变化为(2n±1)(f₁±Δf)，其中n为2,3,4...。以5次谐波能量为例，变化前其频率点为5f₁，而变化后其频率点变为5f₁±5Δf。可见基波能量频率点的少量偏移可导致谐波能量频率点的大幅偏移，在越高频其频率偏移量越大。

从本质上说无线供电的接受电路是一种窄波天线电路，天线都具有一定的带宽。当调制电路工作频率发生变化时，无线电能接受电路少量偏离最佳工作点而在其带宽范围内，无线通信信号接受电路将大幅偏离最佳工作点而在其带宽范围外。因此通过这样的实现方法，可以实现无线通信信号的高速传输，而对无线供电的影响降到最低。

在图4中示出优选实例的全桥逆变器中功率开关管的ZVS实现图。由于全桥逆变器中发射线圈流过较大的激磁电流，在Q1和Q3驱动信号的死区时间内，可方便的实现Q3管零电压导通。

本发明的全桥逆变器优选实例的具体参数如下：输入电压V1为12VDC；输入电容1000uF；发射线圈L1为10uH；无线电能接受线圈L2谐振电感量为22uH；谐振电容值C2为470nF；无线通信信号接受线圈L3谐振电感量为22uH；谐振电容值C3为18.8nF；开关管Q1-Q4为IPB108N15N3G；控制芯片为DSP TMS320F2812；驱动芯片为IR2100。

由以上分析可知，通过控制发射线圈中电流的基波频率，即可实现接受线圈的无线电能传输。通过这样的设计，无需依赖发射线圈和接受线圈具有相同的谐振频率，提高了系统可靠性。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速无线携能通信系统，其特征在于：包括频率调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线通信信号接受电路；其中，所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的非谐振类变换器；所述频率调制模块向驱动电路输出控制信号；所述驱动电路根据控制信号控制非谐振类变换器中的开关器件动作，向发射线圈传输正负电压幅值和持续时间均相等的电压方波，控制发射线圈的三角波电流频率；所述发射线圈通过三角波电流信号中的基波分量产生磁场，与无线电能接受电路产生磁共振，使得无线电能接受电路接受到磁共振传递的能量，实现磁耦合谐振无线供电；所述无线通信信号接受电路接受发射线圈三角波电流信号中的谐波分量，实现无线通信。

2.根据权利要求1所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述无线电能接受电路包括接受线圈、谐振电容和负载，所述接受线圈与谐振电容、负载分别相并联；接受线圈接受到磁共振传递的能量并传递给负载。

3.根据权利要求1所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述无线通信信号接受电路包括谐振电路和无线信号处理电路，所述谐振电路与无线信号处理电路相并联。

4.根据权利要求1所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述发射电路包括一个输入电容，输入电容并联于输入电源的两端；所述非谐振类变换器为全桥逆变器，全桥逆变器并联于输入电源的两端；所述发射线圈的两端分别连接全桥逆变器的两个桥臂的中点。

5.根据权利要求4所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述全桥逆变器包括由第一开关管、第三开关管组成的第一桥臂，以及由第二开关管、第四开关管组成的第二桥臂，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，且第一控制信号和第二控制信号为互补的方波信号，其中，第一控制信号控制第一开关管和第四开关管的导通，第二控制信号控制第二开关管和第三开关管的导通。

6.根据权利要求3所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述谐振电路包括接受线圈和谐振电容，其中接受线圈和谐振电容相并联。

7.根据权利要求3所述的一种高速无线携能通信系统，其特征在于：所述谐振电路包括接受线圈和接受线圈寄生电容。