CN105162262B - 一种感应耦合式能量与信号同步传输系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感应耦合式能量与信号同步传输系统及其控制方法，该系统包括感应耦合电能传输系统，还包括设置在感应耦合电能传输系统副边的信号调制机构和设置在感应耦合电能传输系统原边的信号解调机构。当有负载需要充电时，首先经过电压电流检测电路以及处理器的处理判断可变负载大小，可以根据负载大小，通过驱动模块来控制双向开关的开通与关断，将副边需要传输的信号调制到电路中，进而改变原边电流形成深浅不同的包络，再由信号解调机构将信号解调出来，从而实现能量正向传输条件下的信号反向同步传输。其有益效果是：通过控制信号调制电容从系统中切入或切出，在负载范围变化情况下，实现能量与信号的同步传输，结构简单，操作方便。

Description

一种感应耦合式能量与信号同步传输系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种感应耦合式能量与信号同步传输系统及其控制方法，属于能量与信号同步传输领域。
背景技术
感应耦合电能传输技术作为一种新型的电能非接触传输技术，避免了传统导线直接接触传输中存在的磨损、火花、不美观等缺点，在移动电气设备、内植式医疗电子系统、便携式电子产品及易燃易爆等特殊环境下电气设备的供电方面具有广阔的应用前景。
然而在实际应用中，不仅要求电能的非接触传输，同时还要求信号的同步传递。对于电能和信号的非接触传输，目前主要有以下三种方式：(1)增加独立的信号传输通道；(2)通过在主电路上增设开关器件将信号加载到系统中，改变直流输入的幅值大小，进行调幅调制；(3)对逆变器采用软开关控制模式，在电流过零点时切换开关管进行传输信号的调频调制。
方式(1)增大了传输机构的体积和成本，在信号传输过程中受到电能传输干扰大的问题始终存在；方式(2)对系统功率传输影响较大，一般适用于小功率，而且只能实现信号从原边向副边传输；方式(3)虽然解决了只适用于小功率的问题，但当原边电压幅值变化较大时，信号传输的准确性很差，且对载波信号频率敏感，当系统谐振频率和载波信号频率不匹配时，系统的电能传输效率将会降低；另外，目前的研究大多着重于单一负载条件下电能与信号同向同步传输，对于电能信号反向同步传输的研究相对较少或不够深入。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应耦合式能量与信号同步传输系统及其控制方法，在负载变化时，可以实现电能与信号的反向同步传输。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种感应耦合式能量与信号同步传输系统，包括感应耦合电能传输系统，还包括设置在 感应耦合电能传输系统副边的信号调制机构和设置在感应耦合电能传输系统原边的信号解调机构，所述的信号调制机构包括双向开关、信号调制电容、电流检测电路、电压检测电路、处理器以及驱动模块，电流检测电路和处理器用于判断负载大小，驱动模块和双向开关用于切入和切出信号调制电容，所述的信号解调机构用于信号的提取与复原。
一种感应耦合式能量与信号同步传输系统的控制方法，包括以下步骤：
A、对于一个特定结构和参数的感应耦合电能传输系统，对于不同的负载电阻，通过理论分析和计算可分别得出在信号调制电容从系统中切入和切出情况下，原边电流有效值随负载电阻变化的曲线，定义调制电容切入与切出情况下原边电流有效值曲线交点对应的负载阻值为R0；
B、当有负载需要供电时，根据负载大小，将检测到的实际负载大小与R0比较，根据比较结果，控制器处理需要传输的数字信号并选定相应的信号调制策略来切入或切出信号调制电容C0：
B1、若检测到的负载RL大小在(0～R0)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动电路驱动双向开关闭合，将C0切入，设此时原边电流大小为Ipa；传输数字信号0时，驱动电路驱动双向开关断开，将C0切出，设此时原边电流大小为Ipb，系统按照正常谐振状态工作，此时，Ipa>Ipb，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原；
B2、若检测到的负载RL大小在(R0～+∞)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动电路驱动双向开关断开，将C0切出，设此时的原边电流大小为Ipc，系统处于谐振工作状态；传输数字信号0时，驱动电路驱动双向开关闭合，将C0切入，设此时的原边电流大小为Ipd，此时，Ipc>Ipd，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原。
与现有技术相比，本发明基于反射阻抗原理，通过改变副边电容值和负载大小，从而改变原边电流的大小，进而形成不同的电流包络；在负载变化的情况下，检测判断负载大小，根据负载阻值大小，通过控制双向开关将调制电容从系统中切入或切出，切入时的原边电流曲线和切出时的原边电流曲线有一个交点，该交点对应的负载阻值大小设为R0，根据检测到的负载阻值大小与R0的关系，进而选择相应信号调制策略，能够在系统负载变化条件情况下，实现能量与信号的同步传输。系统结构简单，控制方便。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是特定结构和参数的感应耦合电能传输系统原边电流大小随负载变化曲线图。
图3是本发明的控制方法流程图。
图4是RL＜R0情况下的原边电流包络图。
图5是RL＜R0情况下的原边电流包络图。
图6是双向开关结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
一种感应耦合式能量与信号同步传输系统，包括感应耦合电能传输系统，还包括设置在感应耦合电能传输系统副边的信号调制机构和设置在感应耦合电能传输系统原边的信号解调机构，所述的信号调制机构包括双向开关、信号调制电容、电流检测电路、电压检测电路、处理器以及驱动模块，电流检测电路和处理器用于判断负载大小，驱动模块和双向开关用于切入和切出信号调制电容，所述的信号解调机构用于信号的提取与复原。
所述的信号解调机构采用两路不同参数设计的信号解调器和一个比较器，通过信号解调机构实现对信号的提取与复原。
如图1所示的一种感应耦合式电能与信号反向同步传输系统，包括感应耦合电能传输部分1、信号调制部分2和信号解调部分3。信号调制电容4、双向开关5、可变负载6、电流检测电路7、电压检测电路8、控制器9、数字信号10以及驱动模块11组成了信号调制部分，电流检测电路和控制器用于判断负载大小，驱动模块和双向开关用于切入或切出信号调制电容，所述的信号解调机构用于信号的提取与复原，图6是双向开关5的结构图。
对于一个特定结构和参数的感应耦合电能传输系统，根据反射阻抗原理，计算信号调制电容C0从系统中切入与切出情况下原边电流大小。其计算过程如下：
(1)当信号调制电容C0从系统中切出时，求得该系统总阻抗为
式中，L1是原边发射线圈电感、C1是原边原边谐振补偿电容、L2是原副边线圈互感、C2是副边谐振补偿电容、RL是可变负载。
从而原边电流大小表达式为
(2)当信号调制电容C0从系统中切入时，该系统总阻抗为
根据式(2)(4)，画出两种模式下，系统原边电流随负载电阻变化的曲线如图2所示，定义两条曲线Ip1和Ip2的交点为R0。显然，对于一个特定结构与参数的系统，R0为一个固定值。
由于副边调制电容的切入切出和负载的变化，导致反射阻抗的变化，从而会对原边电流的大小也会产生影响，基于这一点，在负载变化的情况下，通过控制双向开关将调制电容从系统中切入或切出，切入时的原边电流曲线和切出时的原边电流曲线有一个交点，该交点对应的负载阻值大小设为R0，该交点即是本系统传输信号的分界点，信号调制策略的选择由检测到的负载阻值大小与R0关系而定。由系统总阻抗表达式分析可知，在原副边谐振网络参数一定的情况下，如果副边电容C2和负载RL的大小发生变化，副边对原边的反射阻抗发生变化，进而影响原边电流Ip的大小。基于这一点，提出在变负载情况下，通过控制双向开关的通断，检测原边电流包络，实现信号从副边到原边的传输。
基于上述分析，如图3所示，一种感应耦合式能量与信号同步传输系统的控制方法，包括以下步骤：
A、对于一个特定结构和参数的感应耦合电能传输系统，对于不同的负载电阻，通过理论 分析和计算可分别得出在信号调制电容从系统中切入和切出情况下，原边电流有效值随负载电阻变化的曲线，定义调制电容切入与切出情况下原边电流有效值曲线交点对应的负载阻值为R0；
B、当有负载需要供电时，根据负载大小，将检测到的实际负载大小与R0比较，根据比较结果，控制器处理需要传输的数字信号并选定相应的信号调制策略来切入或切出信号调制电容C0：
B1、若检测到的负载RL大小在(0～R0)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动电路驱动双向开关闭合，将C0切入，设此时原边电流大小为Ipa；传输数字信号0时，驱动电路驱动双向开关断开，将C0切出，设此时原边电流大小为Ipb，系统按照正常谐振状态工作，此时，Ipa>Ipb，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原，图4是RL＜R0情况下的原边电流包络图。
B2、若检测到的负载RL大小在(R0～+∞)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动电路驱动双向开关断开，将C0切出，设此时的原边电流大小为Ipc，系统处于谐振工作状态；传输数字信号0时，驱动电路驱动双向开关闭合，将C0切入，设此时的原边电流大小为Ipd，此时，Ipc>Ipd，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原，图5是RL＞R0情况下，原边电流包络图。
这样就实现了感应耦合式电能传输系统在负载宽范围变化的情况下能量与信号的同步传输。
与现有技术相比，本发明基于反射阻抗原理，通过改变副边电容值和负载大小，从而改变原边电流的大小，进而形成不同的电流包络；在负载变化的情况下，检测判断负载大小，根据负载阻值大小，通过控制双向开关将调制电容从系统中切入或切出，切入时的原边电流曲线和切出时的原边电流曲线有一个交点，该交点对应的负载阻值大小设为R0，根据检测到的负载阻值大小与R0的关系，进而选择相应信号调制策略，能够在系统负载变化条件情况下，实现能量与信号的同步传输。系统结构简单，控制方便。

Claims (1)

1.一种感应耦合式能量与信号同步传输系统的控制方法，采用的感应耦合式能量与信号同步传输系统包括感应耦合电能传输系统、设置在感应耦合电能传输系统副边的信号调制机构和设置在感应耦合电能传输系统原边的信号解调机构，所述的信号调制机构包括双向开关、信号调制电容、电流检测电路、电压检测电路、处理器以及驱动模块，电流检测电路和处理器用于判断负载大小，驱动模块和双向开关用于切入和切出信号调制电容，所述的信号解调机构用于信号的提取与复原，其特征在于，包括以下步骤：
A、对于一个特定结构和参数的感应耦合电能传输系统，对于不同的负载电阻，通过理论分析和计算可分别得出在信号调制电容从系统中切入和切出情况下，原边电流有效值随负载电阻变化的曲线，定义信号调制电容切入与切出情况下原边电流有效值曲线交点对应的负载阻值为R0；
B、当有负载需要供电时，根据负载大小，将检测到的实际负载大小与R0比较，根据比较结果,处理器处理需要传输的数字信号并选定相应的信号调制策略来切入或切出信号调制电容；
B1、若检测到的实际负载大小在(0～R0)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动模块驱动双向开关闭合，将信号调制电容切入，设此时原边电流大小为Ipa；传输数字信号0时，驱动模块驱动双向开关断开，将信号调制电容切出，设此时原边电流大小为Ipb，系统按照正常谐振状态工作，此时，Ipa>Ipb，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原；
B2、若检测到的实际负载大小在(R0～+∞)内，具体控制方法为：传输数字信号1时，驱动模块驱动双向开关断开，将信号调制电容切出，设此时的原边电流大小为Ipc，系统处于谐振工作状态；传输数字信号0时，驱动模块驱动双向开关闭合，将信号调制电容切入，设此时的原边电流大小为Ipd，此时，Ipc>Ipd，产生深浅不同的电流包络，电流的包络特征即反应传输的数字信号，信号由副边传递到原边，对信号进行解调，通过信号解调机构实现信号还原。
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