CN106655533A - 基于梯形电流波的无线携能通信系统 - Google Patents

基于梯形电流波的无线携能通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于梯形电流波的无线携能通信系统，属于无线能量与通信复用传输装置。本发明包括时序调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线信号接受电路；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高频逆变器，所述无线电能接受电路包括能量接受线圈、谐振电容、负载，所述无线信号接受电路包括信号接受线圈、谐振电容、无线信号处理模块。本发明直接控制高频逆变器中时序调节谐波能量，利用发射线圈中流过的梯形电流波的基波能量实现磁耦合无线供电，利用发射线圈中流过的梯形电流波的谐波能量实现磁耦合无线通信。该发明提高了无线供电设备的功率输出能力，降低了通信模块成本，具有广阔的应用前景。

Description

基于梯形电流波的无线携能通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于梯形电流波的无线携能通信系统，具体涉及一种形成可控梯形电流波的逆变技术，利用梯形电流波中的基波能量磁耦合的无线供电、利用梯形电流波中的谐波能量磁耦合的无线通信技术。
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。
传统的单流模式通信时会影响无线供电的品质，无线电能利用率不高。因此需要研究实现无线携能通信高效率工作电路方法，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，提出一种基于梯形电流波的无线携能通信系统，利用移相全桥控制时序在发射线圈中生成梯形电流波，通过梯形电流波中的基波能量实现无线供电、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：
本发明提供一种基于梯形电流波的无线携能通信系统，包括时序调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线信号接受电路；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高频逆变器；所述时序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高频逆变器中的开关器件动作时序，向发射线圈传输死区时间可控的脉冲电压，控制发射线圈中形成的梯形电流波波形；所述发射线圈通过梯形电流波信号中的基波分量产生的磁场，与无线电能接受电路产生磁共振耦合，使得无线电能接受电路接受到磁共振耦合传递的基波能量，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梯形电流波信号中的谐波分量，实现无线通信。
进一步的，所述时序调制模块基于数字芯片或模拟芯片实现。
进一步的，基于模拟芯片实现的时序调制模块包括依次连接的单片机、低通滤波器、模拟芯片，单片机产生PWM可调的信号，PWM可调的信号通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应梯形电流波中不同的三角化率，将该直流电平信号传输至能产生梯形电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生相应的驱动时序信号。
进一步的，所述无线电能接受电路包括能量接受线圈、第一谐振电容、负载，所述能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联。
进一步的，所述无线信号接受电路包括信号接受线圈、第二谐振电容、无线信号处理模块，所述信号接受线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
进一步的，所述发射电路还包括一个并联于输入电源两端的输入电容。
进一步的，所述高频逆变器为全桥逆变器，全桥逆变器并联于输入电源的两端，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，所述全桥逆变器包括由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管组成的桥臂，所述控制信号包括第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，其中，第一控制信号控制第一开关管、第二控制信号控制第二开关管、第三控制信号控制第三开关管和第四控制信号控制第四开关管。
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：本发明利用移相全桥控制时序在发射线圈中生成梯形电流波，通过梯形电流波中的基波能量实现无线供电、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。同时，本发明的电路结构简单，无需单独通信模块，成本低；且本发明通信时无需变频，无线通信信号传输时对无线供电品质影响较轻。
附图说明
图1是本发明的实施例一中利用基于梯形电流波的无线携能通信系统的实现电路。
图2是本发明的实施例一中的梯形电流波三角化率定义。
图3是本发明的实施例一中的不同三角化率条件下3次谐波能量变化。
图4是本发明的实施例一中的基于模拟芯片生成梯形电流波的功率开关管时序实现原理图。
图5是本发明的实施例一中的全桥逆变器中采用移相全桥控制策略生成梯形电流波控制时序。
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。
本发明提出的一种基于梯形电流波无线的携能通信系统，包括时序调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线信号接受电路；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高频逆变器；所述无线电能接受电路包括能量接受线圈、第一谐振电容、负载，所述能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联；所述无线信号接受电路包括信号接受线圈、第二谐振电容、无线信号处理模块，所述信号接受线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
所述发射电路还包括一个输入电容，输入电容并联于输入电源的两端；所述高频逆变器为全桥逆变器，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。无线电能接受电路包括接受线圈L2、电容C2和负载R1。时序调制模块产生四路控制信号给Q1-Q4，其中第1路控制信号给Q1、第2路控制信号给Q2、第3路控制信号给Q3和第4路控制信号给Q4。在四路控制信号的作用下，发射线圈中形成可控梯形电流波。所述时序调制模块可有高速数字芯片直接产生4路控制信号，也可有模拟芯片产生4路控制信号。所述时序调制模块基于模拟芯片构建的时序调制模块由以下部分组成：采用低成本的单片机产生PWM可调的信号，通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应梯形电流波中不同的三角化率。将该直流电平信号送给可产生梯形电流波时序信号的模拟芯片，与芯片内部的高频三角波比较产生对应的Q1-Q4驱动时序信号。
如图2所示，其给出了梯形电流波的三角化率定义图。梯形电流波三角化率的定义，电流梯形波高度htrape和梯形边延长线htri高的比率为“三角化率”。事实上可以根据接受线圈的谐振频率定义梯形电流波的工作周期以达到最好的控制效果。图2示出改变梯形电流波的三角化率并不影响基波频率点。
梯形电流波形进行傅里叶级数分解可得：
其中：i(t)是梯形电流波的瞬态值，Ip是梯形电流波电流峰值，w是梯形电流波的角频率，t0是梯形电流从0上升到峰值电流所需的时间，n是谐波次数。由式(1)可知改变三角化率，即改变t0值，就可以动态改变各次谐波的幅值分量。
时序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，此时时序调制模块给开关管Q1-Q4提供的开关频率为f1＝2πω，。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。
当无需通信时，时序调制模块确保开关时序所产生的梯形电流波三角化率不含有通信所需要的谐波能量；当需要通信时，时序调制模块确保开关时序所产生的梯形电流波三角化率含有通信所需要的谐波能量。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3次谐波
如图3所示，其给出了本发明的优选实例的不同三角化率条件下3次谐波能量变化。梯形电流波的频率为200kHz，三角化率分别为0.66和0.6，其中，工作点1三角化率0.66时没有3次谐波能量，对应数字信号“0”；工作点2三角化率0.6时有3次谐波能量，对应数字信号“1”。无线电能接受电路的谐振线圈频率点为200kHz，用于实现基波能量的无线传输。无线通信信号接受电路的谐振线圈频率点为600kHz，用于监测3次谐波能量信号。当时序调制模块控制开关时序时，则基波能量的频率点不变化，而谐波频率点能量则根据时序控制梯形电流的三角化率导致谐波能量的变化，实现无线通信。因此通过这样的实现方法，可以实现无线通信信号的传输，而对无线供电的影响降到最低。
在图4中示出了基于模拟芯片生成梯形电流波的功率开关管时序实现原理图。采用低成本的单片机产生PWM可调的信号，通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应梯形电流波中不同的三角化率。将该直流电平信号送给可产生梯形电流波时序信号的模拟芯片，与芯片内部的高频三角波比较产生对应的Q1-Q4驱动时序信号。通过该方法，采用UC3875等模拟芯片即可实现基于梯形电流波无线携能通信系统低成本解决方案。
在图5中示出优选实例的全桥逆变器发射线圈中生成梯形电流波的功率开关管时序实现图。可见只需采用传统的移相全桥控制策略即可实现对梯形电流波形三角化率的动态控制。
本发明的基于数字控制的全桥逆变器优选实例的具体参数如下：输入电压V1为24VDC；输入电容1000uF；发射线圈L1为11.78uH；无线电能接受线圈L2谐振电感量为11.78uH；谐振电容值C2为54nF；无线通信信号接受线圈L3谐振电感量为89uH；谐振电容值C3为3.3nF；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梯形电流波的三角化率，即可实现接受线圈的无线电能传输和无线通信。通过这样的设计，无需单独构造通信模块，降低了系统的成本。
本发明中采用移相全桥控制时序在发射线圈中形成的梯形电流波波形或采用其他可形成梯形电流波波形的控制策略，所采用的时序控制策略可实现对梯形电流波三角化率的动态调节。
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 (8)

1.基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：包括时序调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接受电路、无线信号接受电路；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高频逆变器；所述时序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高频逆变器中的开关器件动作时序，向发射线圈传输死区时间可控的脉冲电压，控制发射线圈中形成的梯形电流波波形；所述发射线圈通过梯形电流波信号中的基波分量产生的磁场，与无线电能接受电路产生磁共振耦合，使得无线电能接受电路接受到磁共振耦合传递的基波能量，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梯形电流波信号中的谐波分量，实现无线通信。
2.根据权利要求1所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述时序调制模块基于数字芯片或模拟芯片实现。
3.根据权利要求2所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：基于模拟芯片实现的时序调制模块包括依次连接的单片机、低通滤波器、模拟芯片，单片机产生PWM可调的信号，PWM可调的信号通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应梯形电流波中不同的三角化率，将该直流电平信号传输至能产生梯形电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生相应的驱动时序信号。
4.根据权利要求1所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述无线电能接受电路包括能量接受线圈、第一谐振电容、负载，所述能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联。
5.根据权利要求1所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述无线信号接受电路包括信号接受线圈、第二谐振电容、无线信号处理模块，所述信号接受线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
6.根据权利要求1所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述发射电路还包括一个并联于输入电源两端的输入电容。
7.根据权利要求1所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述高频逆变器为全桥逆变器，全桥逆变器并联于输入电源的两端，发射线圈的两端分别连接全桥逆变器的两个桥臂的中点。
8.根据权利要求7所述的基于梯形电流波的无线携能通信系统，其特征在于：所述全桥逆变器包括由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管组成的桥臂，所述控制信号包括第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，其中，第一控制信号控制第一开关管、第二控制信号控制第二开关管、第三控制信号控制第三开关管和第四控制信号控制第四开关管。
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