CN107888235A - 一种无线电能与信号分时传输系统 - Google Patents

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戴欣
李小飞
孙跃
王智慧
唐春森
苏玉刚
叶兆虹
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Abstract

本发明公开了一种无线电能与信号分时传输系统，其包括能量传输原边和副边；在原边还设置有数据接收单元；在副边设置有由信号开关控制通断的数据发射单元以及控制副边输出电压通断的滞回开关；信号开关与滞回开关不能同时闭合且相互不影响对方控制线路的通断。本发明采用滞回控制方式控制输出电压，当滞回控制开关断开的时候，能量传输被终止。在能量传输终止的间隙内进行信号的传输，可以满足能量和信号相互不干扰而且信号处理回路简单的优点，并且能量和信号都是通过一对线圈传输的，结构简化。

Description

一种无线电能与信号分时传输系统
技术领域
本发明涉及无线电力传输技术领域和无线信号传输技术领域，具体涉及一种无线电能与信号分时传输系统。
背景技术
无线电能传输(WPT，Wireless Power Transfer)系统由于其安全、稳定、便利性等优点，被用在了越来越多的场合。但是在诸如电动汽车供电、生物植入设备的应用中，往往不仅需要能量的传输，还需要进行信号的传递。
现有的WPT系统能量与信号分时传输方法可以分为两大类：一是能量和信号通过同一个线圈进行传输，信号耦合到能量线圈上；二是能量和信号在分离的线圈进行传输，信号耦合到独立的线圈上。第一类方法具有体积小的优点，但其也具有信号处理回路复杂的缺点。第二类方法的信号处理相对容易，但是系统的体积相较于第一类方法比较大。
另外，对于植入式设备而言，体内往往接入的是电池负载。电池负载需要进行电压的恒定，传统的采用dc/dc变换器来控制电压存在设备体积较大的缺点，尤其是植入设备在体内的体积需要做的尽量小。
在进行信号传输时，体积较小的方案是将信号耦合到能量传输线圈上进行传递。但是这种方案下能量和信号传输的相互干扰比较大，尤其是大功率的能量传输对小功率的信号传输的干扰，所以在解调数据的时候，信号处理回路的设计往往比较复杂。
为了减小能量和信号的相互干扰，可以再添加一对信号线圈传输信号。但是这种方式下系统的体积相对较大，不利于应用在植入设备中。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种无线电能与信号分时传输系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种无线电能与信号分时传输系统，其包括能量传输原边和副边；在原边还设置有数据接收单元；在副边设置有由信号开关控制通断的数据发射单元以及控制副边输出电压通断的滞回开关；所述信号开关与滞回开关不能同时闭合且相互不影响对方控制线路的通断。
本发明采用滞回控制方式控制输出电压，在滞回控制开关断开的间隙传输信号，实现能量和信号传输时互不干扰，最大程度上减小了系统的设计复杂性。
本发明使用滞回控制方案进行负载端电压调节，当滞回控制开关断开的时候，能量传输被终止。在能量传输终止的间隙内进行信号的传输，可以满足能量和信号相互不干扰而且信号处理回路简单的优点，并且能量和信号都是通过一对线圈传输的，结构简化。
本发明的一种优选实施方式中，所述数据发射单元与整流桥并联，或者与副边谐振电路并联。本发明的数据发射单元结构设计多样化。
本发明的另一种优选实施方式中，所述数据发射单元包括串联的信号发射源、信号发射电容和信号开关。
本发明的数据发射单元通过信号开关控制实现信息的发送与停止，结构简单。
本发明的另一种优选实施方式中，还包括控制所述滞回开关通断的滞回控制器，所述滞回控制器的信号输入端与负载电池的电压检测输出端相连，所述滞回控制器的控制端与滞回开关的使能端相连。
本发明提出的能量和信号分时传输方案把副边恒压考虑了进来，使用滞回控制方法控制输出电压。滞回控制开关断开的时候，能量传输被终止。在这个间隙进行信号的传输，能量和信号两者互不干扰。
本发明的另一种优选实施方式中，所述信号开关由信号开关控制器或滞回控制器控制通断，可通过独立的控制器实现控制也可与智慧开关共用一个控制器，结构设计多样化。
本发明的另一种优选实施方式中，所述数据接收单元与原边谐振电感串联。保证信号的顺利接收。
本发明的另一种优选实施方式中，所述数据接收单元结构包括接收信号依次传输通过的带通滤波器、运算放大器和数据解调器。保证信号接收的准确性。
本发明的另一种优选实施方式中，所述数据接收单元结构包括并联的接收电感、接收电容。通过简单的结构实现信号成功接收。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1本发明一种优选实施方式中采用滞回控制的无线电能传输系统；
图2是滞回控制的典型波形图；
图3是本发明一种优选实施方式中能量与信号分时传输电路图；
图4时图3中所示的电路系统在两种工作模态下的电路图，其中，(a)为S关断，Sd开通，能量传输被终止，信号从副边传输到原边的电路图，(b)为S开通，Sd关断，信号传输中断，能量传输到副边的电路图；
图5为本发明一种优选实施方式中信号传输拓扑图；
图6本发明一种优选实施方式中采集的实验波形图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的一种优选实施方式中，图1为采用滞回控制的无线电能传输系统。图中的能量传输系统采用原边并联副边串联型谐振拓扑。输入直流电压E经推拉型逆变器(L1,L2,S1,S2)产生高频源，经谐振电路将能量传输到副边。在本实施方式中，副边输出电压经滞回控制方式进行调节，其中，滞回开关S控制副边线圈与负载的通断。滞回控制的波形图如图2，假定系统的稳压带为UL-req±ut，当UL大于UL-req+ut时，滞回开关S需要断开，也即能量传输被终止。当UL小于UL-req-ut时，滞回开关S需要开通来向负载传输能量。
如图3所示，本发明提供了一种无线电能与信号分时传输系统，其包括能量传输原边和副边；在原边还设置有数据接收单元；在副边设置有由信号开关控制通断的数据发射单元以及控制副边输出电压通断的滞回开关；所述信号开关与滞回开关不能同时闭合且相互不影响对方控制线路的通断。
本发明采用滞回控制方式控制输出电压，在滞回控制开关断开的间隙传输信号，实现能量和信号传输时互不干扰，最大程度上减小了系统的设计复杂性。
本发明使用滞回控制方案进行负载端电压调节，当滞回控制开关断开的时候，能量传输被终止。在能量传输终止的间隙内进行信号的传输，可以满足能量和信号相互不干扰而且信号处理回路简单的优点，并且能量和信号都是通过一对线圈传输的，结构简化。
本实施方式中，数据发射单元与整流桥并联，或者与副边谐振电路并联。本发明的数据发射单元结构设计多样化。本发明的另一种优选实施方式中，如图3所示，所述数据发射单元包括串联的信号发射源Vd、信号发射电容Csd和信号开关Sd。本发明的数据发射单元通过信号开关控制实现信息的发送与停止，结构简单。
本实施方式中，还包括控制所述滞回开关通断的滞回控制器，所述滞回控制器的信号输入端与负载电池的电压检测输出端相连，所述滞回控制器的控制端与滞回开关的使能端相连。负载电池的电压检测输出端检测负载的实际电压，如图4所示，设定稳压带为UL-req±ut，当检测到UL大于UL-req+ut时，滞回控制器控制滞回开关S断开，信号开关Sd开通，从原边到副边的能量传输被终止，信号从副边传输到原边，输出电容自由振荡。当检测到UL小于UL-req-ut时，滞回控制器控制滞回开关S开通来向负载传输能量，信号开关Sd断开，能量从原边传输到副边，信号传输被终止。本发明提出的能量和信号分时传输方案把副边恒压考虑了进来，即使用滞回控制方法控制输出电压。滞回控制开关断开的时候，能量传输被终止。在这个间隙进行信号的传输，能量和信号两者互不干扰。
通过图4所示系统的两种工作模式，可以看出能量和信号在独立的时刻进行传输，两者相互不干扰。
本实施方式中，信号开关由信号开关控制器或滞回控制器控制通断，可通过独立的控制器实现控制也可与智慧开关共用一个控制器，结构设计多样化。信号的处理电路如图5所示，信号发射端由数据调制组成，信号接收端则集成了带通滤波、运算放大以及数据解调。本发明的另一种优选实施方式中，所述数据接收单元与原边谐振电感串联。保证信号的顺利接收。优选地，所述数据接收单元结构包括并联的接收电感Ld、接收电容Cd。通过简单的结构实现信号成功接收。电阻Rd是滤波器的等效输入电阻。
在本发明的一种优选实施方式中，实验采集的波形如图6所示，其中，第1通道指示输出电压UL，第2通道为输出数据，第4通道为输入数据。从图6可以看出，数据传输是在开关S断开的时候完成，数据传输稳定。
本发明的滞回控制电压方式不需要电感的使用，拾取侧的体积可以做的尽可能小。滞回控制方式的控制逻辑比较简单。本发明提出的能量与信号分时传输方式基于滞回控制拓扑。信号传输是在能量传输终止的时候进行(滞回控制开关关断的时候)，能量和信号的相互干扰几乎可以忽略，所以信号处理回路可以很容易的设计出来。本发明中能量和信号就是在同一个线圈上进行传输，和传统方法不同的是信号是在能量传输终止的时候进行，能量和信号的相互干扰可以忽略。
需要说明的是，本实施方式中信号发射电容Csd、信号开关Sd、接收电感Ld、接收电容Cd的数值和参数可根据具体情况设定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，包括能量传输原边和副边；
在原边还设置有数据接收单元；
在副边设置有由信号开关控制通断的数据发射单元以及控制副边输出电压通断的滞回开关；
所述信号开关与滞回开关不能同时闭合且相互不影响对方控制线路的通断。
2.根据权利要求1所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述数据发射单元与整流桥并联，或者与副边谐振电路并联。
3.根据权利要求1或者2所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述数据发射单元包括串联的信号发射源、信号发射电容和信号开关。
4.根据权利要求1所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，还包括控制所述滞回开关通断的滞回控制器，所述滞回控制器的信号输入端与负载电池的电压检测端相连，所述滞回控制器的控制端与滞回开关的使能端相连。
5.根据权利要求1、3、4之一所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述信号开关由信号开关控制器或滞回控制器控制通断。
6.根据权利要求1所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述数据接收单元与原边谐振电感串联。
7.根据权利要求1所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述数据接收单元结构包括接收信号依次传输通过的带通滤波器、运算放大器和数据解调器。
8.根据权利要求1或7所述的无线电能与信号分时传输系统，其特征在于，所述数据接收单元结构包括并联的接收电感、接收电容。
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