CN108512315B - 基于双边lcc结构的注入式无线能量与信息同步传输电路 - Google Patents

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Abstract

基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，属于无线电能传输技术领域。本发明是为了解决现有无线能量信息同步传输装置只适用纯电阻负载，如果电路存在整流桥，会引入谐波造成噪声干扰的问题。它包括交流源、无线能量与信息发送单元、主耦合线圈、无线能量与信息接收单元及整流电路，交流源作为供电电源，无线能量与信息接收单元与无线能量与信息发送单元结构相同，并在主耦合线圈的接收线圈一侧与无线能量与信息发送单元呈镜像对称设置；无线能量与信息接收单元的输出端经整流电路连接负载。本发明用于无线能量与信息的同步传输。

Description

基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路
技术领域
本发明涉及基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
随着近年来的技术积累，实验室中的研究成果逐渐走向产业化。许多高新技术产品如新能源汽车、人体植入式设备、智能设备等已经采用无线能量传输技术。为满足能量与信息同步传输，传统的设计方案会增加额外的WIFI等通信模块，因此系统需要额外的空间来布置天线。为了能够利用能量传输回路进行通信，开发出一种磁耦合谐振式无线能量信息同步传输技术，该技术包含磁耦合谐振式无线通信技术和磁耦合谐振式无线能量传输技术两个部分，两者的系统结构类似，均以交变磁场为传输手段，通过电磁感应原理来接收能量与信息并完成解调工作。
磁耦合谐振式无线能量信息同步传输技术的能量补偿拓扑一般采用串联电容结构，其方案的实行仅适用于负载为纯电阻的情况；对于实际应用中需要将交流电经过整流桥传输到用电设备的情况，由于采用串联结构的注入式通信系统由电感以及电容中间接入，而整流桥与信号回路中间仅接入一个电容，无法对高频信号产生滤波作用，因此会给电路引入能量传输频率的奇次谐波，当信息伴随能量传输时这部分谐波会作为噪声干扰信息传输，因此需要采用更加复杂有效的能量补偿拓扑来隔离这部分噪声。
发明内容
本发明目的是为了解决现有无线能量信息同步传输装置只适用纯电阻负载，如果电路存在整流桥，会引入谐波造成噪声干扰的问题，提供了一种基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路。
本发明所述基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，它包括交流源、无线能量与信息发送单元、主耦合线圈、无线能量与信息接收单元及整流电路，
无线能量与信息发送单元包括第一LCC补偿单元、高频阻波器ZT1和第一信号加载与提取电路；第一LCC补偿单元包括电感L11、电容C11和电容C12；第一信号加载与提取电路包括第一信号处理器、调制信号源Up1、耦合变压器L12、电容C13和电容C14；
交流源一端连接电感L11的一端，电感L11的另一端连接电容C12的一端，电容C12的另一端连接交流源的另一端；电感L11的另一端与主耦合线圈的发射线圈一端之间依次连接电容C11和高频阻波器ZT1，主耦合线圈的发射线圈另一端连接交流源的另一端；电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈的发射线圈并联；耦合变压器L12原边电感一端连接电容C13的一端，另一端连接第一单刀双掷开关的公共端，第一单刀双掷开关的第一选择端连接电容C13的另一端，第一单刀双掷开关的第二选择端与第一选择端之间连接调制信号源Up1，电容C13与第一信号处理器并联；
无线能量与信息接收单元与无线能量与信息发送单元结构相同，并在主耦合线圈的接收线圈一侧与无线能量与信息发送单元呈镜像对称设置；无线能量与信息接收单元的输出端经整流电路连接负载。
本发明的优点：本发明是一种注入式无线能量与信息同步传输电路，可以应用于实际工程当中，其中信息可以满足双向传输的需求。
本发明适配于无线充电系统，其信息能够利用能量传输通路进行双向通信。它通过双边LCC补偿结构形成的电路拓扑来隔离由整流电路产生的噪声。双边LCC补偿结构自身具有抗空载、设计灵活的特点。在本发明中由于该结构具有带载品质因数高的特点，能够有效削减由整流电路所产生的噪声，保障信息的正确传输。
本发明通过使用多谐振补偿网络，使系统设计更加灵活，通过设计接收端补偿结构的参数可以使接收端具有恒压或恒流的输出状态。本发明能够实现半双工的双向通信。
本发明可应用于手机无线充电、机器人、电动汽车无线充电以及双向无线电能传输当中。
附图说明
图1是本发明所述基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路的电路原理图；
图2是图1中能量传输部分的电路原理图；
图3是图1中信息传输部分的电路原理图；
图4是高频阻波器的电路原理图；
图5是本发明第一信号加载与提取电路和第二信号加载与提取电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明：
结合图1所示，本发明示例性实施方式所述的基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，它包括交流源11、无线能量与信息发送单元、主耦合线圈3、无线能量与信息接收单元及整流电路21，
无线能量与信息发送单元包括第一LCC补偿单元12、高频阻波器ZT1和第一信号加载与提取电路13；第一LCC补偿单元12包括电感L11、电容C11和电容C12；第一信号加载与提取电路13包括第一信号处理器、调制信号源Up1、耦合变压器L12、电容C13和电容C14；
交流源11一端连接电感L11的一端，电感L11的另一端连接电容C12的一端，电容C12的另一端连接交流源11的另一端；电感L11的另一端与主耦合线圈3的发射线圈一端之间依次连接电容C11和高频阻波器ZT1，主耦合线圈3的发射线圈另一端连接交流源11的另一端；电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈3的发射线圈并联；耦合变压器L12原边电感一端连接电容C13的一端，另一端连接第一单刀双掷开关的公共端，第一单刀双掷开关的第一选择端连接电容C13的另一端，第一单刀双掷开关的第二选择端与第一选择端之间连接调制信号源Up1，电容C13与第一信号处理器并联；
无线能量与信息接收单元与无线能量与信息发送单元结构相同，并在主耦合线圈3的接收线圈一侧与无线能量与信息发送单元呈镜像对称设置；无线能量与信息接收单元的输出端经整流电路21连接负载。
进一步地，所述无线能量与信息接收单元包括第二LCC补偿单元22、高频阻波器ZT2和第二信号加载与提取电路23；第二LCC补偿单元22包括电感L21、电容C21和电容C22；第二信号加载与提取电路23包括第二信号处理器、调制信号源Up2、耦合变压器L22、电容C23和电容C24；
整流电路21一端连接电感L21的一端，电感L21的另一端连接电容C22的一端，电容C22的另一端连接整流电路21的另一端；电感L21的另一端与主耦合线圈3的接收线圈一端之间依次连接电容C21和高频阻波器ZT2，主耦合线圈3的接收线圈另一端连接整流电路21的另一端；电容C24与耦合变压器L22副边电感连接后与主耦合线圈3的接收线圈并联；耦合变压器L22原边电感一端连接电容C23的一端，另一端连接第二单刀双掷开关的公共端，第二单刀双掷开关的第一选择端连接电容C23的另一端，第二单刀双掷开关的第二选择端与第一选择端之间连接调制信号源Up2，电容C23与第二信号处理器并联；
整流电路21的输出端连接负载。
所述高频阻波器包括LC并联谐振电路。
本实施方式中所述LCC补偿单元为T型电路结构，包含一个补偿电感与两个补偿电容；第一信号加载与提取电路13与主耦合线圈3的发射端并联，第二信号加载与提取电路23与主耦合线圈3的接收端并联；图1中的k表示主耦合线圈3的耦合系数。
所述交流源11是电能传输回路的电能来源，可以采用逆变器、功率放大器来针对不同应用场合进行设计。例如在数千瓦的电动汽车供电中可以采用逆变器设计，而几瓦级别的手机充电可以采用功率放大器进行设计。
双边LCC补偿结构是本实施方式中的系统拓扑，其自身具有抗空载、设计灵活的特点，将副边LCC电路设计成不同的谐振状态可以获得输出恒压或者输出恒流的工作状态。在本发明中由于该结构具有带载品质因数高的特点，能够有效削减由整流电路所产生的噪声。
高频阻波器为一个LC并联谐振，其谐振频率对应于信号频率，利用并联谐振阻抗无穷大的特点来阻止信号流入其他支路。
以发送端为例，第一信号加载与提取电路13中电容C13作为初级补偿电容，与耦合变压器L12原边电感谐振于信号频率，电容C14作为次级补偿电容，与耦合变压器L12副边电感及主耦合线圈的发射线圈电感共同谐振于信号频率。单刀双掷开关作为选通开关用来选择系统的工作状态以分别达到接受或发送数据的目的。
主耦合线圈3包含一对发射与接收线圈，作为能量与信息传输的公用通道。
整流电路21可包括四个二极管，将交流电转换为直流电。
本公开中的负载为用电设备，实际应用中可以为电阻、电机、电池或是其他用电设备。
本公开中的图1按具体功能分解以后，获得进行能量传输的图2与信息传输的图3。
首先设计图2，图2中的回路参数主要根据实际需求进行配置，使负载达到恒压或恒流状态。其中高频阻波器可用来阻止信号流经其他支路。结合图4所示的高频阻波器的电路原理图，电路中LZ、CZ并联谐振于信号频率，为了不干扰能量回路参数，高频阻波器中还串联一个电容Ca，能补偿掉多余的电感。
图3所示的信息传输回路，通过选通开关来选择系统的工作状态以分别达到接收或发送数据的目的。系统进行正向通信时，第一单刀双掷开关接调制信号源Up1，此时调制信号源Up1、电容C13、耦合变压器L12原边电感形成串联回路；第二单刀双掷开关接电容C23，此时电容C23、耦合变压器L22原边电感形成串联回路。信号源Up1产生调制信号后由第二信号处理器提取出信号并处理。系统进行反向通信时，第一单刀双掷开关接电容C13，此时电容C13、耦合变压器L12原边电感形成串联回路；第二单刀双掷开关接调制信号源Up2，此时调制信号源Up2、电容C23、耦合变压器L22原边电感形成串联回路。信号源Up2产生调制信号后由第一信号处理器提取出信号并处理。根据此方式可以实现半双工的无线通信。
图5表示了正向信息传输原理，图中调制信号源Up1通常采用OOK调制。第二信号处理器通过采集电容C23两端电压来进行解调，其中应包含放大电路以及滤波电路。
在使用过程中，完成无线能量与信息同步传输电路的各参数设计后，应先由通信系统进行工作来对能量传输回路进行控制，进一步采用时分复用的方式完成其他信号传输任务。

Claims (2)

1.一种基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，其特征在于，它包括交流源(11)、无线能量与信息发送单元、主耦合线圈(3)、无线能量与信息接收单元及整流电路(21)，
无线能量与信息发送单元包括第一LCC补偿单元(12)、高频阻波器ZT1和第一信号加载与提取电路(13)；第一LCC补偿单元(12)包括电感L11、电容C11和电容C12；第一信号加载与提取电路(13)包括第一信号处理器、调制信号源Up1、耦合变压器L12、电容C13和电容C14；
交流源(11)一端连接电感L11的一端，电感L11的另一端连接电容C12的一端，电容C12的另一端连接交流源(11)的另一端；电感L11的另一端与主耦合线圈(3)的发射线圈一端之间依次连接电容C11和高频阻波器ZT1，主耦合线圈(3)的发射线圈另一端连接交流源(11)的另一端；电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈(3)的发射线圈并联；耦合变压器L12原边电感一端连接电容C13的一端，另一端连接第一单刀双掷开关的公共端，第一单刀双掷开关的第一选择端连接电容C13的另一端，第一单刀双掷开关的第二选择端与第一选择端之间连接调制信号源Up1，电容C13与第一信号处理器并联；
所述无线能量与信息接收单元包括第二LCC补偿单元(22)、高频阻波器ZT2和第二信号加载与提取电路(23)；第二LCC补偿单元(22)包括电感L21、电容C21和电容C22；第二信号加载与提取电路(23)包括第二信号处理器、调制信号源Up2、耦合变压器L22、电容C23和电容C24；
整流电路(21)一端连接电感L21的一端，电感L21的另一端连接电容C22的一端，电容C22的另一端连接整流电路(21)的另一端；电感L21的另一端与主耦合线圈(3)的接收线圈一端之间依次连接电容C21和高频阻波器ZT2，主耦合线圈(3)的接收线圈另一端连接整流电路(21)的另一端；电容C24与耦合变压器L22副边电感连接后与主耦合线圈(3)的接收线圈并联；耦合变压器L22原边电感一端连接电容C23的一端，另一端连接第二单刀双掷开关的公共端，第二单刀双掷开关的第一选择端连接电容C23的另一端，第二单刀双掷开关的第二选择端与第一选择端之间连接调制信号源Up2，电容C23与第二信号处理器并联；
整流电路(21)的输出端连接负载；
无线能量与信息接收单元与无线能量与信息发送单元结构相同，并在主耦合线圈(3)的接收线圈一侧与无线能量与信息发送单元呈镜像对称设置；无线能量与信息接收单元的输出端经整流电路(21)连接负载。
2.根据权利要求1所述的基于双边LCC结构的注入式无线能量与信息同步传输电路，其特征在于，所述高频阻波器包括LC并联谐振电路。
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