CN110798247A - 一种无线电力载波设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线电力载波设备,包括高频变换电路、输入补偿电路、输入端通信电路、输入端载波电路、松耦合线圈、输出载波电路、输出端通信电路、输出补偿电路以及整流滤波电路用电负载。本发明利用同一磁介质,通过高低频多载波调制,在同一个磁回路内既传输电能、又传输通信信号,通过无线方式完成供电信号和数据通信信号的传输,完全取消各部件之间的互联互通线路。
Description
技术领域
本发明属于电力和信号传输技术领域,特别是涉及一种无线电力载波设备。
背景技术
当前各类机电类系统中,各部件之间需要互联互通的电信号有供电和数据通信两类。
在现有技术中,以上两类电信号在大部分系统内需要通过繁复的电缆网实现互联互通,对于系统设计者来说,需要投入很大精力和成本,以简化互联互通和提高互联的可靠性。
现有技术条件下,如果从这两类信号的特征发出,可以有如下所示的三条技术途径。
1)从“供电”角度出发,解决方案就是采用“非接触电能传输技术”,取消供电线路。
2)从“数据通信”角度出发,解决方案就是采用“无线通信技术”,取消通信线路。
3)如果将两者结合考虑,解决方案就是采用“电力载波技术”,将通信信号耦合在电力线上传输,取消通信线路。
以上三条技术途径如果采用途径1)和途径2)则需要用两种技术分别无线传输供电信号和数据通信信号,如果采用途径3)则还是离不开电力线路。
发明内容
本发明解决的技术问题是公开了一种无线电力载波设备,通过无线方式完成供电信号和数据通信信号的传输,完全取消各部件之间的互联互通线路。
本发明无线电力载波设备的技术方案为:
所述设备利用同一磁介质,通过高低频多载波调制,在同一个磁回路内既传输电能、又传输通信信号,通过无线方式完成供电信号和数据通信信号的传输。
进一步地,所述设备包括高频变换电路、输入补偿电路、输入端通信电路、输入端载波电路、松耦合线圈、输出载波电路、输出端通信电路、输出补偿电路、整流滤波电路;
输入电源与高频变换电路相连,给高频变换电路提供输入供电;高频变换电路的输出与输入补偿电路相连接,输入补偿电路将高频变换电路输出的高频方波电压信号补偿为正弦电压信号;输入补偿电路的输出与松耦合线圈的原边线圈相连接,将正弦电压信号送入松耦合线圈的原边线圈;输入端通信电路与输入端载波电路的输入端相连接,将数字通信信号传送给输入端载波电路;输入端载波电路的输出端与输入补偿电路的输出端、松耦合线圈的原边线圈并接在一起,将数字通信信号调理后,产生载波信号同时送入松耦合线圈的原边线圈,与输入补偿电路输出的正弦电压信号叠加,共同产生感应磁场;
松耦合线圈的副边线圈的输出端与输出补偿电路的输入端、输出端载波电路的输入端并接在一起;输出补偿电路的输入端接至松耦合线圈的副边线圈的输出端,将副边线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉;输出补偿电路的输出端与整流滤波电路的输入端相连接,将输出补偿电路输出的高频交流电压信号传送给整流滤波电路;整流滤波电路将输入的高频交流电压整流、滤波为直流电压,提供给用电负载;输出端载波电路的输入端与松耦合线圈的副边线圈的输出端相连接,接收副边线圈感应出的载波信号,并将载波信号调理成数字通信信号;输出端载波电路的输出端与输出端通信电路相连接,将数字通信信号提供给输出端通信电路。
进一步地,所述高频变换电路包括:辅助电源、电压检测电路、电流检测电路、数字控制器、驱动电路以及全桥逆变电路;所述全桥逆变电路包含4个功率开关;
辅助电源从输入端取电,并为数字控制器提供辅助供电;电压检测电路采集输入电源的电压,并将电压采样信号提供给数字控制器;电流检测电路采集输入电源的电流,并将电流采样信号提供给数字控制器;数字控制器根据电压采样信号和电流采样信号,输出4路脉宽调制信号,提供给驱动电路;驱动电路把4路脉宽调制信号放大为4路驱动信号,并分别将这4路驱动信号传递给全桥逆变电路中的4个功率开关,所述4个功率开关在驱动信号的控制下在输出端产生方波电压。
进一步地,其中所述输入补偿电路和输出补偿电路都为LCC拓扑结构,输入到输入补偿电路的方波电压信号,经谐振补偿变为正弦波形的电压信号。
进一步地,输入端载波电路包含通信接口电路、微处理单元、调制/解调电路、滤波器以及耦合器。
进一步地,所述松耦合线圈内传递供电能量的磁场分量,中心频点在100kHz;叠加在供电能量磁场上的通信信号频率,中心频点在100MHz~1GHz。
本发明利用同一磁介质,采用高低频多载波调制技术,在同一个磁回路内既传输电能、又传输通信信号。通过无线方式供电信号和数据通信信号的传输,完全取消各部件之间的互联互通线路。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于例示本发明的实施例,并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为无线电力载波设备系统原理框图;
图2为高频变换电路的原理框图;
图3为松耦合线圈与输入输出补偿电路连接原理图;
图4为整流滤波电路的原理图;
图5为输入端载波电路的原理框图;
图6为输出端载波电路的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中,出于解释而非限制性的目的,阐述了具体细节,以帮助全面地理解本发明。然而,对本领域技术人员来说显而易见的是,也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
现有技术中,机电类设备内部,通过繁复的电缆网实现供电信号和数据通信信号的互联互通,即浪费了成本,也降低了系统的可靠性。
本发明的目的是采用一种无线电力载波技术,利用同一磁介质,采用高低频多载波调制技术,在同一个磁回路内既传输电能、又传输通信信号,其系统原理框图如图1所示。本发明载波设备包含一个高频变换电路、1个输入补偿电路、1个输入端通信电路、一个输入端载波电路、1个松耦合线圈、1个输出载波电路、1个输出端通信电路、1个输出补偿电路以及1个整流滤波电路。
如图1所示,输入电源与高频变换电路相连,给高频变换电路提供输入供电。高频变换电路的输出与输入补偿电路相连接,输入补偿电路将高频变换电路输出的高频方波电压信号补偿为正弦电压信号。输入补偿电路的输出与松耦合线圈的原边线圈相连接,将正弦电压信号送入松耦合线圈的原边线圈。另一边,输入端通信电路与输入端载波电路的输入端相连接,将数字通信信号传送给输入端载波电路。输入端载波电路的输出端与输入补偿电路的输出端、松耦合线圈的原边线圈并接在一起,输入端载波电路将数字通信信号调理后,产生载波信号同时送入松耦合线圈的原边线圈,与输入补偿电路输出的正弦电压信号叠加,共同产生感应磁场。
如图1所示,松耦合线圈内感应磁场中含有两部分分量,其中一部分是传递供电能量的磁场分量,中心频点在100kHz左右;另外一部分是叠加在供电能量磁场上更高频率的通信信号,中心频点约在100MHz~1GHz左右。松耦合线圈磁场的耦合作用下,副边线圈上产生供电能量电压信号与载波信号叠加在一起的电压信号。
如图1所示,松耦合线圈的副边线圈的输出端与输出补偿电路的输入端、输出端载波电路的输入端并接在一起。输出补偿电路的输入端接至松耦合线圈的副边线圈的输出端,将副边线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉。输出补偿电路的输出端与整流滤波电路的输入端相连接,将输出补偿电路输出的高频交流电压信号传送给整流滤波电路。整流滤波电路将输入的高频交流电压整流、滤波为直流电压,提供给用电负载。另一边,输出端载波电路的输入端与松耦合线圈的副边线圈的输出端相连接,输出端载波电路接收副边线圈感应出的载波信号,并将载波信号调理成数字通信信号。输出端载波电路的输出端与输出端通信电路相连接,将数字通信信号提供给输出端通信电路。
如图2所示,为高频变换电路的原理框图,高频变换电路包含:1个辅助电源、1个电压检测电路、1个电流检测电路、1个数字控制器、1个驱动电路、1个包含4个功率开关(S1、S2、S3、S4)的全桥逆变电路。辅助电源从输入端取点,并为数字控制器的工作提供辅助供电。电压检测电路采集输入电源的电压,并将电压采样信号提供给数字控制器。电流检测电路采集输入电源的电流,并将电流采样信号提供给数字控制器。数字控制器根据电压采样信号和电流采样信号,输出4路脉宽调制(PWM)信号,提供给驱动电路。驱动电路把4路脉宽调制(PWM)信号放大为4路驱动信号(VGS1、VGS2、VGS3、VGS4),并分别将这4路驱动信号传递给全桥逆变电路中的4个功率开关(S1、S2、S3、S4),4个功率开关(S1、S2、S3、S4)在驱动信号的控制下在输出端产生频率约为100kHz左右的方波电压。
图3所示为输入补偿电路、松耦合线圈、输出补偿电路三部分的原理和接线关系图。其中输入补偿电路是一个LCC拓扑结构,包含:1个电感(Li1)和2个电容(Ci1、Ci2),其相互之间连接关系具体见图3所示。其中输出补偿电路也是一个LCC拓扑结构,包含:1个电感(Lo1)和2个电容(Co1、Co2),其相互之间连接关系具体见图3所示。输入到输入补偿电路的方波电压信号,经谐振补偿变为正弦波形的电压信号。松耦合线圈的副边线圈的输出端输出的供电能量电压信号,经输出补偿电路的谐振补偿将其中的谐波成分消除掉,并接至整流滤波电路。
如图4所示为整流滤波电路的原理图,包含1个含有4个整流二极管(D1、D2、D3、D4)的全桥整流电路和一个由1个电感(Lo)和1个电容(Co)组成的LC滤波电路。输出补偿电路输出的交流电压进入整流滤波电路后,首先经过全桥整流电路将交流电压整流为直流电压,再经LC滤波电路滤波后,输出并提供给用电负载使用。
如图5所示为输入端载波电路的原理框图,其包含1个通信接口电路、1个微处理单元(MCU)、1个调制/解调电路、1个滤波器以及1个耦合器。输入端通信电路将通信信号传送给输入端载波电路后,首先进入通信接口电路,通信接口电路将通信信号转化为数字信号,并将数字信号提供给MCU。MCU将数字信号转化为数字载波信号,并将数字载波信号传递给调制/解调电路。调制解调电路将数字载波信号转化为1级模拟载波信号,并将1级模拟载波信号传递给滤波器。滤波器将1级模拟载波信号转化为2级模拟载波信号,并将2级模拟载波信号传递给耦合器。耦合器将2级模拟载波信号转化为载波信号,并将载波信号传递至松耦合线圈的原边线圈。
如图6所示为输出端载波电路的原理框图,其包含1个通信接口电路、1个微处理单元(MCU)、1个调制/解调电路、1个滤波器以及1个耦合器。松耦合线圈的副边线圈将感应出的载波信号传送至输出端载波电路后,首先进入耦合器。耦合器将载波信号转化为2级模拟载波信号,并将2级模拟载波信号传递至滤波器。滤波器将2级模拟载波信号1级模拟载波信号转化为1级模拟载波信号,并将1级模拟载波信号传递给调制/解调电路。调制解调电路将1级模拟载波信号转化为数字载波信号,并将数字载波信号传递给MCU。MCU将数字载波信号转化为数字信号,并将数字信号传递给通信接口电路。通信接口电路将数字信号转化为通信信号,并将通信信号提供给输出端通信电路。
图5和图6所示的电路原理图完全一致,数据流向完全相反,以上实施例中描述的信息流向是从输入端通信电路传送至输入端通信电路。如果信息流向是从输入端通信电路传送至输入端通信电路,则图5和图6电路工作流向反向即可实现。
采用本发明所述的无线电力载波设备后,借助于输入电源、高频变换电路、输入补偿电路、松耦合线圈、输出补偿电路、整流滤波电路以及用电负载这条通路,实现了供电能量的无线传输;同时,借助于输入端通信电路、输入端载波电路、松耦合线圈、输出端载波电路以及输出端通信电路这条通路,实现了输入端与输出端之间数字通信信号的无线传输。两条通路的中间介质均为松耦合线圈,即利用松耦合线圈内的电磁感应磁场,实现的电能和通信信号的同介质传输。且,供电能量传递方向是由输入电源往用电负载单方向传递,而数据通信可以在输入端通信电路与输出端通信电路之间双向传递。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的,因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外,由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变,因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作,而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
Claims (6)
1.一种无线电力载波设备,其特征在于,所述设备利用同一磁介质,通过高低频多载波调制,在同一个磁回路内既传输电能、又传输通信信号,通过无线方式完成供电信号和数据通信信号的传输。
2.如权利要求1所述的一种无线电力载波设备,其特征在于,所述设备包括高频变换电路、输入补偿电路、输入端通信电路、输入端载波电路、松耦合线圈、输出载波电路、输出端通信电路、输出补偿电路、整流滤波电路;
输入电源与高频变换电路相连,给高频变换电路提供输入供电;高频变换电路的输出与输入补偿电路相连接,输入补偿电路将高频变换电路输出的高频方波电压信号补偿为正弦电压信号;输入补偿电路的输出与松耦合线圈的原边线圈相连接,将正弦电压信号送入松耦合线圈的原边线圈;输入端通信电路与输入端载波电路的输入端相连接,将数字通信信号传送给输入端载波电路;输入端载波电路的输出端与输入补偿电路的输出端、松耦合线圈的原边线圈并接在一起,将数字通信信号调理后,产生载波信号同时送入松耦合线圈的原边线圈,与输入补偿电路输出的正弦电压信号叠加,共同产生感应磁场;
松耦合线圈的副边线圈的输出端与输出补偿电路的输入端、输出端载波电路的输入端并接在一起;输出补偿电路的输入端接至松耦合线圈的副边线圈的输出端,将副边线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉;输出补偿电路的输出端与整流滤波电路的输入端相连接,将输出补偿电路输出的高频交流电压信号传送给整流滤波电路;整流滤波电路将输入的高频交流电压整流、滤波为直流电压,提供给用电负载;输出端载波电路的输入端与松耦合线圈的副边线圈的输出端相连接,接收副边线圈感应出的载波信号,并将载波信号调理成数字通信信号;输出端载波电路的输出端与输出端通信电路相连接,将数字通信信号提供给输出端通信电路。
3.如权利要求2所述的一种无线电力载波设备,其特征在于,所述高频变换电路包括:辅助电源、电压检测电路、电流检测电路、数字控制器、驱动电路以及全桥逆变电路;所述全桥逆变电路包含4个功率开关;
辅助电源从输入端取电,并为数字控制器提供辅助供电;电压检测电路采集输入电源的电压,并将电压采样信号提供给数字控制器;电流检测电路采集输入电源的电流,并将电流采样信号提供给数字控制器;数字控制器根据电压采样信号和电流采样信号,输出4路脉宽调制信号,提供给驱动电路;驱动电路把4路脉宽调制信号放大为4路驱动信号,并分别将这4路驱动信号传递给全桥逆变电路中的4个功率开关,所述4个功率开关在驱动信号的控制下在输出端产生方波电压。
4.如权利要求2所述的一种无线电力载波设备,其特征在于,其中所述输入补偿电路和输出补偿电路都为LCC拓扑结构,输入到输入补偿电路的方波电压信号,经谐振补偿变为正弦波形的电压信号。
5.如权利要求2所述的一种无线电力载波设备,其特征在于,输入端载波电路包含通信接口电路、微处理单元、调制/解调电路、滤波器以及耦合器。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种无线电力载波设备,其特征在于,所述松耦合线圈内传递供电能量的磁场分量,中心频点在100kHz;叠加在供电能量磁场上的通信信号频率,中心频点在100MHz~1GHz。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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