CN111564908A - 无线电能传输系统中信息双向传输实现方法 - Google Patents

无线电能传输系统中信息双向传输实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统中信息双向传输实现装置和方法，其装置包括原边部分和副边部分，原边部分包括原边控制单元、调频单元、原边信息发送单元和包络检波单元；原边控制单元改变调频单元的开关频率，从而改变原边输出电压波形的频率，包络检波单元用于接收并还原副边传输至原边的信息；副边部分包括副边控制单元、阻抗调节单元、副边信息发送单元和鉴频单元；副边控制单元控制阻抗调节单元的等效阻抗，从而改变副边输出电压波形的幅值，鉴频单元用于还原原边传输至副边的信息。本发明提出的装置和方法简单，便于实现，并与由于原边和副边信号调制的对象不同，两者不会互相干扰。无线电能传输和无线信息传输也互不干扰。

Description

无线电能传输系统中信息双向传输实现方法
技术领域
本发明涉及无线电能和信息传输系统，尤其涉及一种无线电能传输系统中信息双向传输实现装置和方法。
背景技术
通常，通信系统由信源、发端设备、信道、收端设备、收信者五部分组成，由于信息在信道中传输时，多少会受到外界环境的影响，所以在通信系统的研究中，需要将噪声加入其中。对于通信系统的分类，从研究的角度通常有两种。一种是按照工作方式，即根据信源和收信者之间信息传输的方向性和是否能够同时通讯进行分类：只能够从信源向收信者单方向传输的方式称为单工传输；信源和收信者之间可以双向传输的、但同一时间方向只能单向传输的称为半双工传输；信源和收信者之间可以同时且双向传输的称为全双工。另一种是按照信息类型分类，可分为模拟通信系统和数字通信系统。
对应地，我们可以给出无线电能与信息传输系统中的通信部分系统框图，如图1所示。显然，原边供电端的信息源对应信源；发送线圈对应发端设备；接收线圈对应收端设备；副边信息处理控制单元对应收信者；系统中间的气隙对应信道；而来自外界的电磁干扰对应噪声源。
并且随着实践应用的推广，设计一种能实现原、副边信息双向无线传输的方案成为研究的热点问题。
公开号为CN106787244B的《能量和信号共享信道的无线并行传输方法》公开了一种无线电能信息传输系统，原边电路和副边电路采用一对线圈作为共享信道，采用同一频率实现信息和能量的并行同步传输；系统原边电路采用变频的方式实现信息正向传输，系统副边电路采用可控整流的方式实现信息反向传输。
其缺点是系统拓扑复杂，导致成本高、可靠性低：系统副边电路还包括副边控制器，副边频率检测电路包括低通滤波单元、过零滞回比较器、副边电磁隔离单元和副边处理单元；系统原边电路还包括原边控制器，原边包络检测电路包括检波电路、低通滤波单元、偏置单元、阈值设置单元、高速比较单元、电磁隔离单元和原边处理单元。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的第一个目的是提供一种无线电能传输系统中信息双向传输实现装置。本发明提出的装置电路简单，成本低，可靠性高，便于实现，在现有的无线电能传输系统中增加该装置，即可实现无线电能传输系统中的全双工通讯。
本发明的第二个目的是提供一种无线电能传输系统中信息双向传输实现方法。该方法主要解决无线电信息传输的全双工通讯问题，原边通过改变频率的方式向副边进行信息传输，副边向原边通过改变原边线圈电压波形的变化的方式通过改变幅值的方式进行信息传输，可以让原、副边及时获取双方的工作状态和电气参数，从而使无线电能传输工作在最理想的状态。
本发明提出的方法简单，便于实现，并与由于原边和副边信号调制的对象不同，两者之间不会互相干扰。无线电能传输和无线电能的信息传输也互不干扰。
为了实现本发明的第一个目的，本发明提出了一种无线电能传输系统中信息双向传输实现装置，包括原边部分和副边部分，原边部分包括原边控制单元、调频单元、原边信息发送单元和包络检波单元；原边控制单元改变调频单元的开关频率，从而改变原边信息发送单元输出电压波形的频率，包络检波单元用于接收并还原副边部分传输至原边部分的信息。所述副边部分包括副边控制单元、阻抗调节单元、副边信息发送单元和鉴频单元；副边控制单元控制阻抗调节单元的等效阻抗，从而改变原边信息发送单元感应到的电压波形的幅值，鉴频单元用于还原原边部分传输至副边部分的信息。
进一步的，阻抗调节单元包括电容C2、可变电容Cs1、功率管VT和电阻R0，电容C2的一端耦接副边信息发送单元的一端，电容C2的另一端和电容Cs1的一端耦接电阻R0的一端，电容Cs1的另一端耦接功率管VT的漏极，功率管VT的源极和电阻R0的另一端耦接副边信息发送单元的另一端，功率管VT的栅极耦接副边控制单元。
进一步的，副边控制单元控制阻抗调节单元的等效阻抗包括但不限于切换可变电容CS2。
进一步的，调频单元包括电容Cp和功率管V1～V4组成的逆变电路；电容Cp的正极耦接直流电源的正极和功率管V1、V3的集电极，电容Cp的负极耦接直流电源的负极和功率管V2、V4的发射极，功率管V1的发射极和功率管V2的集电极用于耦接原边信息发送单元的一端，功率管V3的发射极和功率管V4的集电极用于耦接原边信息发送单元的另一端，功率管V1～V4的栅极耦接原边控制单元。
为了实现本发明的第二个目的，本发明提出了一种无线电能传输系统中信息双向传输实现方法，包括原边部分通过改变频率的方式向副边部分进行信息传输；副边部分通过改变副边部分的等效阻抗，从而引起原边线圈电压幅值变化的方式向原边进行信息传输；原边部分通过包络检波电路检测副边传递的信息；副边部分通过鉴频电路检测原边传递的信息。
进一步的，改变副边部分的等效阻抗的方法包括但不限于切换副边部分电容实现。
本发明具有如下技术优点或有益效果：
本发明所提用的装置，电路简单，便于实现，成本低，性能稳定，在现有的无线电能传输系统中增加该装置，即可实现无线电能传输系统中的全双工通讯。本发明提出的无线电能传输系统中信息双向传输实现方法可靠性高。由于原边和副边在全双工通讯过程中调制的对象不同，两者之间不会互相干扰。根据本方法实现的无线电能双向传输，无线电能传输和无线电能的信息传输也互不干扰。
附图说明
图1为无线电能与信息传输系统中的通信部分系统框图；
图2为本发明的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置实施例的单元组成和连接关系示意图；
图3为本发明的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置实施例的电路原理图。
图4为本发明的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置实施例的副边传输信息和线圈感应的波形图。
图5为本发明的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置原边传输信息、副边传输信息和线圈感应的波形图。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的，不限定本发明的保护范围。
在发明的一个具体实施例中，本发明所提出的方法可以在以下场景下应用，
如图2所示，无线电能传输系统中信息双向传输实现装置的单元组成和连接关系示意图；包括原边部分和副边部分，原边部分包括原边控制单元、调频单元、原边信息发送单元和包络检波单元；副边部分包括副边控制单元、阻抗调节单元、副边信息发送单元和鉴频单元。
本发明的一个实施例中，原边向副边首先发送信息，让副边反馈其所带的负载的工作状态以及所需要传输的功率大小。副边向原边传送相应的信息的同时，也向原边进行相关用户信息的认证过程，甚至可能是发送用户的账户信息以便实现网络化的扣费管理等，原边同样就需要与副边进行多次的信息对话。
图3为无线电能传输系统中信息双向传输实现装置实施例的电路原理图。
无线电能传输系统中原边发送单元包括电容C1和原边线圈L1。调频单元包括电容Cp和开关管V1～V4；电容Cp的正极耦接直流电源的正极和开关管V1、V3的集电极，电容Cp的负极耦接直流电源的负极和功率管V2、V4的发射极，开关管V1的发射极和开关管V2的集电极用于耦接电容C1的一端，开关管V3的发射极和开关管V4的集电极用于耦接原边线圈L1的一端，C1的另一端耦接原边线圈L1的另一端。开关管V1～V4组成全桥逆变器。原边控制单元控制开关管V1～V4的栅极。
副边发送单元包括电容副边线圈L2。阻抗调节单元包括电容C2、可变电容Cs1、功率管VT和电阻R0，电容C2的一端耦接副边线圈L2的一端，电容C2的另一端和电容Cs1的一端耦接电阻R0的一端，电容Cs1的另一端耦接功率管VT的漏极，开关管VT的源极和电阻R0的另一端耦接副边线圈L2的另一端，开关管VT的栅极耦接副边控制单元。
为了实现信息的正向传输，原边控制单元需要控制开关管V1～V4的开关周期。其中V1和V2构成为一个半桥桥臂、V3和V4为一个半桥桥臂。半桥桥臂的两个开关管，需要考虑开关的死区时间，以避免桥臂发生直通，另外开关管V1和V4是同相的，开关管V2和V3是同相的。通过对全桥逆变器的开关周期进行调制，就可以使之输出频率不同的电压波形，副边就会感应出相应频率的波形。据此，副边只需要设计一个鉴频电路，就可以实现原边信息到副边信息的传输过程。
在发明的一个实施例中，原边要向副边传递的信息为二进制的10110，当原边要向副边传输“1”时原边感应出频率较高的波形，副边要向原边传输“0”时原边感应出频率较低的波形。波形幅值相同。
为了实现信息的逆向传输，即从副边部分传输信息到原边部分。在图3中，通过控制VT开关管的导通关断来实现的。当开关管导通或关断的时候，副边的等效阻抗发生改变，其反射到原边的阻抗也会发生相应的变化，即在原边出现电压的跌落或抬升。相应的原边只要有对应的包络检波电路，就可以通过这种方式，实现了副边信息到原边信息的传输过程。
在发明的一个实施例中，副边要向原边传递的信息为二进制的10110，原边感应出来的波形如图4所示。即当副边要向原边传输“1”时原边感应出幅值较高的波形，副边要向原边传输“0”时原边感应出幅值较低的波形。其中传输的每个数据均在原边均感应出3个全周期的的波形。这种逆向传输的方式，跟数字信号传输中的幅移键控方式非常相似。不过幅移键控在传输“0”的时候，其调制波上是没有任何电压的，而在图4中显示的原边波形，还存在电压波形，只是这个波形的幅值比原来的要小。这种类ASK的信号，通过包络检波的方式，可以非常容易地将信号还原出来。
通过分析信息正向传输过程和信息逆向传输过程，可以发现正向传输和逆向传输，其调制的对象一个是频率，一个是幅值，两者之间并不会相互干扰。因此将两者结合起来，就可以实现信息的全双工传输。
图5是原副边进行信息的全双工传输时的示意图，其中最上面的波形是原边要向副边发送的信息，最下面的波形是副边要向原边传输的信息，而中间的波形是线圈上的电压波形。
需要指出的是，图5中在一个信息发送周期内，只画了一个或两个的基波电压波形，而实际上是包含了非常多的波形。这些波形的包络线，可以非常明显地反应副边所要向原边传输的信息。
在发明的一个实施例中，原边要向副边传递的信息为二进制的10110，副边向原边传递的信息为二进制的10011。第一个数据的传输周期内，原边和副边发送的信息都为“1”，线圈感应出来频率和幅值均较高的波形。第二个数据的传输周期内，原边和副边发送的信息都为“0”，线圈感应出来频率和幅值均较低的波形。第三个数据的传输周期内，原边发送的信息为“1”，副边发送的信息为“0”，线圈感应出来频率较高，幅值较低的波形。第四个数据的传输周期内，原边发送的信息为“1”，副边发送的信息为“1”，线圈感应出来频率和幅值均较高的波形。第五个数据的传输周期内，原边发送的信息为“0”，副边发送的信息为“1”，线圈感应出来频率较低，幅值较高的波形。
由于在实际应用过程中，副边为负载端，无法实现调节系统工作效率，所以副边向原边传输信息无法采用调制频率的方式。
需要指出的是，利用不同的相位，也可实现信息的传输。通常是
Figure BDA0002492035590000071
和
Figure BDA0002492035590000072
两种正交的信号进行信息的传输，传输不同数据之间可以是连续但相位相差180度的波形。
通过以上数据和波形图可以看出，本实施例中的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置电路简单，便于实现，性能稳定，由于原边和副边在全双工通讯过程中调制的对象不同，抗干扰性好。
在本实施例中提供了一种无线电能传输系统中信息双向传输实现方法，包括如下步骤：原边通过改变频率的方式向副边进行信息传输；副边通过改变副边的等效阻抗，从而引起原边线圈电压变化，改变原边线圈电压幅值的方式向原边进行信息传输，从而引起原边线圈电压变化；原边通过包络检波的电路检测副边的信息；副边通过鉴频电路检测原边信息。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线电能传输系统中信息双向传输实现装置，包括原边部分和副边部分，其特征在于，
所述原边部分包括原边控制单元、调频单元、原边信息发送单元和包络检波单元；所述原边控制单元改变调频单元的开关频率，从而改变原边信息发送单元输出电压波形的频率，所述包络检波单元用于接收并还原副边部分传输至原边部分的信息；
所述副边部分包括副边控制单元、阻抗调节单元、副边信息发送单元和鉴频单元；所述副边控制单元控制阻抗调节单元的等效阻抗，从而改变原边信息发送单元感应到的电压波形的幅值，所述鉴频单元用于还原原边部分传输至副边部分的信息。
2.根据权利要求1所述的信息双向传输实现装置，其特征在于，所述阻抗调节单元包括电容C2、可变电容Cs1、功率管VT和电阻R0，电容C2的一端耦接副边信息发送单元的一端，电容C2的另一端和电容Cs1的一端耦接电阻R0的一端，电容Cs1的另一端耦接功率管VT的漏极，功率管VT的源极和电阻R0的另一端耦接副边信息发送单元的另一端，功率管VT的栅极耦接副边控制单元。
3.根据权利要求2任一所述的信息双向传输实现装置，其特征在于，副边控制单元控制阻抗调节单元的等效阻抗包括但不限于切换可变电容CS2。
4.根据权利要求1所述的信息双向传输实现装置，其特征在于，所述调频单元包括电容Cp和功率管V1～V4；电容Cp的正极耦接直流电源的正极和功率管V1、V3的集电极，电容Cp的负极耦接直流电源的负极和功率管V2、V4的发射极，功率管V1的发射极和功率管V2的集电极用于耦接原边信息发送单元的一端，功率管V3的发射极和功率管V4的集电极用于耦接原边信息发送单元的另一端，功率管V1～V4的栅极耦接原边控制单元。
5.一种无线电能传输系统中信息双向传输实现方法，其特征在于，基于权利要求1至4任一项所述的无线电能传输系统中信息双向传输实现装置，所述信息双向传输实现方法包括：
原边部分通过改变频率的方式向副边部分进行信息传输；
副边部分通过改变副边部分的等效阻抗，从而引起原边线圈电压幅值变化的方式向原边进行信息传输；
原边部分通过包络检波电路检测副边传递的信息；
副边部分通过鉴频电路检测原边传递的信息。
6.根据权利要求5所述的信息双向传输实现方法，其特征在于，改变副边部分的等效阻抗的方法包括但不限于切换副边部分电容实现。
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