CN112421791B - 一种基于dd线圈结构的无线能量与信息同步传输电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于DD线圈结构的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，特别是涉及一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路。解决了现有无线能量信息同步传输装置中阻波器带来的较大功率损耗的问题。它包括交流源、主耦合线圈、整流电路、发送单元和接收单元，所述主耦合线圈为DD型线圈，包括发射端和接收端，所述交流源两端通过发送单元与主耦合线圈的发射端相连，所述整流电路两端通过接收单元与主耦合线圈的接收端相连。它主要用于无线能量与信息的同步传输。

Description

一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路。
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。为满足信息传输的需求，无线电能传输系统在设计时需要具备通信功能。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，对于系统的空间与经济成本有较大的影响。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。
传统的注入式磁耦合谐振式无线能量信息同步传输技术中一般需要增加阻波器，通过阻波器将能量与信息拓扑分离。避免大部分通信信号会经能量拓扑直接流入地，保证有效的信息传输。然而阻波器需要串联至能量回路中，其内阻必然会带来一定的能量损耗。阻波器结构的增加对于系统的能量传输效率、空间与经济成本均有较大的影响。因此需要优化系统拓扑结构，简化掉阻波器的设计。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，它包括交流源、主耦合线圈、整流电路、发送单元和接收单元，所述主耦合线圈为DD型线圈，包括发射端和接收端，所述交流源两端通过发送单元与主耦合线圈的发射端相连，所述整流电路两端通过接收单元与主耦合线圈的接收端相连，所述发送单元包括第一LCC补偿单元和第一信号加载与提取电路，所述第一LCC补偿单元包括电感L11、电容C11和电容C12，所述交流源一端与电感L11相连后分为两路，一路通过电容C12与交流源的另一端相连，另一路通过电容C11与主耦合线圈的发射端相连，所述第一信号加载与提取电路与主耦合线圈发射端的一个D型结构并联，所述接收单元包括第二LCC补偿单元和第二信号加载与提取电路，所述第二LCC补偿单元包括电感L21、电容C21和电容C22，所述整流电路一端与电感L21相连后分为两路，一路通过电容C22与整流电路的另一端相连，另一路通过电容C21与主耦合线圈的接收端相连，所述第二信号加载与提取电路与主耦合线圈接收端的一个D型结构并联。
更进一步的，所述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、电容C14和第一单刀双掷开关，所述电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈发射端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L12原边电感一端与电容C13相连，另一端与第一单刀双掷开关的公共端相连，所述第一单刀双掷开关的第一选择端与电容C13相连，所述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，所述电容C13与第一信号处理器并联。
更进一步的，所述第二信号加载与提取电路包括第二信号处理器、调制信号源Up2、耦合变压器L22、电容C23、电容C24和第二单刀双掷开关，所述电容C24与耦合变压器L22副边电感连接后与主耦合线圈接收端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L22原边电感一端与电容C23相连，另一端与第二单刀双掷开关的公共端相连，所述第二单刀双掷开关的第一选择端与电容C23相连，所述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，所述电容C23与第二信号处理器并联。
更进一步的，所述整流电路的输出端与负载相连。
更进一步的，所述整流电路与负载之间并联有电容C41。
更进一步的，所述第一LCC补偿单元和第二LCC补偿单元均为T型电路结构。
更进一步的，所述交流源为逆变器或功率放大器。
更进一步的，所述整流电路设置四个二极管，将交流电转换为直流电。
更进一步的，所述调制信号源Up1和调制信号源Up2均在用OOK调制。
更进一步的，所述第一信号处理器和第二信号处理器内均设置有放大电路和滤波电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是基于DD型线圈结构的改进型注入式无线能量与信息同步传输电路，解决了现有无线能量信息同步传输装置中阻波器带来的较大功率损耗的问题。采用DD型线圈结构，DD型线圈结构可以视为两部分D型结构组成，由于第一LCC补偿单元和第二LCC补偿单元中的电容在通信频率下阻抗极小，两个D型结构等效为并联，第一信号加载与提取电路或第二信号加载与提取电路将通信信号加载至单个D型结构上，两个D型结构均为信号记载端，同时二者互为阻波器，优化掉传统的阻波器结构，提升了系统电能传输的效率，简化了系统结构，降低了系统的空间与经济成本，同时由于两部分D型结构均作为发射端，还提升了信息传输的传输距离。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。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中，其中信息可以满足双向传输的需求。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路的原理图
图2为本发明所述的能量传输部分的电路原理图
图3为本发明所述的信息传输部分的电路原理图
图4为本发明所述的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
11-交流源，12-第一LCC补偿单元，13-第一信号加载与提取电路，14-第一信号处理器，21-整流电路，22-第二LCC补偿单元，23-第二信号加载与提取电路，24-第二信号处理器，3-主耦合线圈，4-负载
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-4说明本实施方式，一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，它包括交流源11、主耦合线圈3、整流电路21、发送单元和接收单元，所述主耦合线圈3为DD型线圈，包括发射端和接收端，所述交流源11两端通过发送单元与主耦合线圈3的发射端相连，所述整流电路21两端通过接收单元与主耦合线圈3的接收端相连，所述发送单元包括第一LCC补偿单元12和第一信号加载与提取电路13，所述第一LCC补偿单元12包括电感L11、电容C11和电容C12，所述交流源11一端与电感L11相连后分为两路，一路通过电容C12与交流源11的另一端相连，另一路通过电容C11与主耦合线圈3的发射端相连，所述第一信号加载与提取电路13与主耦合线圈3发射端的一个D型结构并联，所述接收单元包括第二LCC补偿单元22和第二信号加载与提取电路23，所述第二LCC补偿单元22包括电感L21、电容C21和电容C22，所述整流电路21一端与电感L21相连后分为两路，一路通过电容C22与整流电路21的另一端相连，另一路通过电容C21与主耦合线圈3的接收端相连，所述第二信号加载与提取电路23与主耦合线圈3接收端的一个D型结构并联。
本实施例发送单元和接收单元结构相同，沿主耦合线圈3呈镜像对称设置，主耦合线圈3为DD型线圈其具有更好的偏移适应性、更高的优化空间与设计自由度。自身的双线圈结构还可以具有阻波器的功能，简化系统设计，提升系统效率。主耦合线圈3包括发射端和接收端，作为能量与信息传输的公用通道。回路参数主要根据实际需求进行配置，使负载4达到恒压或恒流状态。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。
本实施例所述第一信号加载与提取电路13包括第一信号处理器14、调制信号源Up1、耦合变压器L12、电容C13、电容C14和第一单刀双掷开关，所述电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈3发射端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L12原边电感一端与电容C13相连，另一端与第一单刀双掷开关的公共端相连，所述第一单刀双掷开关的第一选择端与电容C13相连，所述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，所述电容C13与第一信号处理器14并联。所述第二信号加载与提取电路23包括第二信号处理器24、调制信号源Up2、耦合变压器L22、电容C23、电容C24和第二单刀双掷开关，所述电容C24与耦合变压器L22副边电感连接后与主耦合线圈3接收端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L22原边电感一端与电容C23相连，另一端与第二单刀双掷开关的公共端相连，所述第二单刀双掷开关的第一选择端与电容C23相连，所述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，所述电容C23与第二信号处理器24并联。以发送单元为例，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。第一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。通过选通开关来选择电路的工作状态以分别达到接收或发送数据的目的。电路进行正向通信时，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24提取出信号并处理。电路进行反向通信时，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14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。所述调制信号源Up1和调制信号源Up2均在用OOK调制，所述第一信号处理器14和第二信号处理器24分别通过采集电容C13和电容C23两端电压来进行解调，第一信号处理器14和第二信号处理器24内均设置有放大电路和滤波电路。
本实施例所述整流电路21的输出端与负载4相连，所述整流电路21与负载4之间并联有电容C41，接收单元的输出端经整流电路21连接负载4，负载4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。所述第一LCC补偿单元12和第二LCC补偿单元22均为T型电路结构，包含一个补偿电感与两个补偿电容，所述交流源11为逆变器或功率放大器，可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。所述整流电路21设置四个二极管，将交流电转换为直流电。
以上对本发明所提供的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：它由交流源(11)、主耦合线圈(3)、整流电路(21)、发送单元和接收单元组成，所述主耦合线圈(3)为DD型线圈，包括发射端和接收端，所述交流源(11)两端通过发送单元与主耦合线圈(3)的发射端相连，所述整流电路(21)两端通过接收单元与主耦合线圈(3)的接收端相连，所述发送单元包括第一LCC补偿单元(12)和第一信号加载与提取电路(13)，所述第一LCC补偿单元(12)包括电感L11、电容C11和电容C12，所述交流源(11)一端与电感L11相连后分为两路，一路通过电容C12与交流源(11)的另一端相连，另一路通过电容C11与主耦合线圈(3)的发射端相连，所述第一信号加载与提取电路(13)与主耦合线圈(3)发射端的一个D型结构并联，所述接收单元包括第二LCC补偿单元(22)和第二信号加载与提取电路(23)，所述第二LCC补偿单元(22)包括电感L21、电容C21和电容C22，所述整流电路(21)一端与电感L21相连后分为两路，一路通过电容C22与整流电路(21)的另一端相连，另一路通过电容C21与主耦合线圈(3)的接收端相连，所述第二信号加载与提取电路(23)与主耦合线圈(3)接收端的一个D型结构并联。
2.根据权利要求1所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述第一信号加载与提取电路(13)包括第一信号处理器(14)、调制信号源Up1、耦合变压器L12、电容C13、电容C14和第一单刀双掷开关，所述电容C14与耦合变压器L12副边电感连接后与主耦合线圈(3)发射端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L12原边电感一端与电容C13相连，另一端与第一单刀双掷开关的公共端相连，所述第一单刀双掷开关的第一选择端与电容C13相连，所述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，所述电容C13与第一信号处理器(14)并联。
3.根据权利要求2所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述第二信号加载与提取电路(23)包括第二信号处理器(24)、调制信号源Up2、耦合变压器L22、电容C23、电容C24和第二单刀双掷开关，所述电容C24与耦合变压器L22副边电感连接后与主耦合线圈(3)接收端的一个D型结构并联，所述耦合变压器L22原边电感一端与电容C23相连，另一端与第二单刀双掷开关的公共端相连，所述第二单刀双掷开关的第一选择端与电容C23相连，所述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，所述电容C23与第二信号处理器(24)并联。
4.根据权利要求1所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述整流电路(21)的输出端与负载(4)相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述整流电路(21)与负载(4)之间并联有电容C41。
6.根据权利要求1所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述第一LCC补偿单元(12)和第二LCC补偿单元(22)均为T型电路结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述交流源(11)为逆变器或功率放大器。
8.根据权利要求1所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述整流电路(21)设置四个二极管，将交流电转换为直流电。
9.根据权利要求3所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述调制信号源Up1和调制信号源Up2均在用OOK调制。
10.根据权利要求3所述的一种基于DD线圈结构的无线能量与信息同步传输电路，其特征在于：所述第一信号处理器(14)和第二信号处理器(24)内均设置有放大电路和滤波电路。
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