CN113013999B - 一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，能够实现高频大功率的无线电能与信息的同步传输。本发明系统通过将数字频带信号调制于直流母线，利用逆变/整流电路的混频效应，将调制的数字信号频谱迁移至功率传输频率附近，并传输至异侧电路，接收侧电路对该信号解调得到基带信号。本发明适用性广，可用于各种无线电能传输系统，尤其适合于高频系统。
Description
技术领域
本发明属于电力电子、无线电能传输和载波通信技术领域，具体涉及一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统。
背景技术
无线电能传输技术作为一种新型的电能传输方式，在许多领域得到越来越多的应用。在消费类电子产品中，电池充电接口是一个十分关键的设计，由于接头处的磨损问题，会导致故障，而非接触式充电方式可以有效避免此类问题。在大功率应用场合，如电动汽车以及电动轨道交通等领域，无线能量传输技术可以避免供电接口处的磨损以及接触式充电带来的接触火花等安全隐患。另外，在一些特殊的需要非接触式供电的场合如水下作业、矿山等，这项技术有着独特的优势。
无线电能传输包括容性耦合式电能传输(Capacitively Coupled PowerTransfer，CCPT)和感性耦合式电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)，感性耦合式电能传输又分为磁感应式无线电能传输和磁谐振式无线电能传输。目前，磁感应式无线电能传输系统的输出功率较大、传输效率高，但是信号频率较低、传输距离较近；磁谐振式无线电能传输系统的信号频率较高、传输距离较远，但是输出功率较小、传输效率较低。
无线电能传输系统在实际应用中，除了需要具有高效的电能转换电路外，还需具备线圈定位、系统状态监控、反馈控制、异物检测等功能，因此需要在供电侧(原边)与受电侧(副边)之间实现单向或双向数据通信，如图1所示；现有无线电能传输系统中的通信方式有以下几类：
(1)通信与无线电能传输在电路和传输路径上完全独立，该类方法可采用专用的射频通信模块(如蓝牙、ZIGBEE等)实现。如申请号为200910049173.1和201210510534.X的中国专利均采用了这种方式，该方式在一些场合使用方便，但易受外部干扰。该类方式的另一实现途径是：系统除了功率耦合电感外，额外增加一组通信线圈，利用额外无线通信模块或额外电感线圈技术中，功率载波和信号载波不通过公共电感线圈传输，功率模块和通信模块电路不相连，控制上也是解耦的；但额外的通信电感线圈不仅增加了系统体积，不适合用于某些体积敏感的场合，而且在功率和信号同时传输时，功率传输不可避免地会影响信号传输过程，因此对设计人员的要求较高。
(2)通信与无线电能传输使用公共耦合线圈，但信号与能量采用时分复用方式传输。如申请号为200980156736.5的中国专利采用了该方式，这种方式不断切换工作方式，通常存在较长的过渡过程，影响传输功率和效率，因此不适用于较大功率传输，且通信速率也较低。
(3)通信与无线电能传输共用耦合电感线圈并共用一个频段，采用负载调制方法从副边向原边传输数据。典型的负载调制方法包括Qi标准采用的通信方式，即在副边增加额外开关，通过切换负载阻抗实现反向通信。如申请号为201611261894.5的中国专利在副边采用可控整流电路，通过调整开通角的方法实现副边向原边的数据传输；但是这类负载调制技术造成较大的功率损耗，降低了无线能量传输系统的能量传输效率，难以适用于较大功率传输场合。
(4)信息与电能传输共用耦合线圈，但功率与信号采用不同的传输频率。如申请号为201310533459.3的中国专利提出了一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的方法，但该方法要求通信载波频率远大于功率传输频率，因此适合于较低频率的无线电能传输(如85kHz)，而在一些采用较高频率(如6.78MHz)的无线电能传输系统中，该方法无法适用。
综上所述，在较大功率的高频无线电能传输系统中，目前尚无较好的无线电能与信息同传方案。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，能够实现高频大功率的无线电能与信息的同步传输。
一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，其供电侧与直流电源相连，受电侧与直流负载相连，且供电侧与直流电源之间以及受电侧与直流负载之间设置有载波调制耦合模块和数据解调模块，所述载波调制耦合模块用于将数据信息通过载波的形式注入到无线电能传输系统一侧(供电侧或受电侧)的直流母线上完成对数据信息的调制，无线电能传输系统将调制信号从一侧无线传输至另一侧，所述数据解调模块则在另一侧的直流母线上通过信号采集并解调得到数据信息，从而实现数据双向通信；所述载波的频率远低于无线电能传输系统的功率传输频率(一般为功率传输频率的1/1000～1/10)。
进一步地，所述载波调制耦合模块包括：
信号调制电路，用于对数据信息进行调制后生成调制信号；
信号耦合电路，用于对调制信号进行滤波后耦合至无线电能传输系统一侧的直流母线上。
进一步地，所述信号调制电路对数据信息进行频带调制，调制方法可采用OOK、FSK、多进制PSK、DPSK、QAM或OFDM等。
进一步地，所述信号调制电路对数据信息进行基带调制，其波特率远低于无线电能传输系统的功率传输频率，基带调制方法可采用不归零码、归零码或曼彻斯特编码。
进一步地，所述信号调制电路包括半桥电路、方波调制模块和驱动电路，所述半桥电路包括两个功率开关管Q1和Q2，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的输出端，功率开关管Q2的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号，所述驱动电路对方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端接地，原边补偿电容C1与隔离变压器T1的原边绕组并联，隔离变压器T1的副边绕组串接在无线电能传输系统供电侧或受电侧的直流母线上，原边补偿电容C2与隔离变压器T1的副边绕组并联。
进一步地，所述信号调制电路包括全桥电路、方波调制模块和两个驱动电路H1和H2，所述全桥电路包括四个功率开关管Q1～Q4，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的第一输出端，功率开关管Q2的源极接地，功率开关管Q3的漏极接直流电压，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极相连并作为信号调制电路的第二输出端，功率开关管Q4的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号并分为两路输出，驱动电路H1对一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极，驱动电路H2对另一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q3和Q4的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的第一输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端与信号调制电路的第二输出端相连，原边补偿电容C1与隔离变压器T1的原边绕组并联，隔离变压器T1的副边绕组串接在无线电能传输系统供电侧或受电侧的直流母线上，原边补偿电容C2与隔离变压器T1的副边绕组并联。
所述阻抗网络Z1的结构可以选择LC、RLC或RC串连结构，所述原边补偿电容C1和副边补偿电容C2可以仅采用其中之一，也可以全部取消。
所述无线电能传输系统包括供电侧的逆变电路、受电侧的整流电路以及两者之间的无线电能传输网络，所述无线电能传输网络可采用感性耦合式电能传输或容性耦合式电能传输的形式，所述感性耦合式电能传输形式可采用磁感应式无线电能传输系统或磁谐振式无线电能传输系统实现。
所述整流电路可采用二极管全桥整流电路、二极管半波整流电路、可控全桥整流电路、Class-E整流电路等，整流电路的直流输出端口可并联滤波电容，也可不加滤波电容。所述逆变电路可采用全桥逆变、半桥逆变、Class-C电路、Class-E逆变电路、Class-F放大电路等，逆变电路的直流输入端口可以并联滤波电容，也可不加滤波电容。
进一步地，所述数据解调模块通过采集同侧直流电感线圈上的电压或电流信号，或者通过采集同侧直流母线上的电压或电流纹波信号，进而对信号进行解调得到数据信息。
本发明将纹波信号注入直流母线，并通过无线充电系统开关装置的混频效应，结合载波范围选择、载波调制装置设计、载波调制与解调技术，达到了无线电能传输与数据共通道实时双向通信的目的，一方面结合不同主频下的无线充电应用场景，选择载波调制装置以及载波调制范围，实现载波装置与主线圈的物理隔离，并实现了能量与信号共通道以及降低外部干扰的效果；另一方面基于无线充电系统的载波调制通信装置具有结构简单、控制方便、性能稳定、损耗较小、制造成本低，适用性广，可用于各种无线电能传输系统，尤其适合于高频系统，具有良好的商业推广价值。
附图说明
图1为传统的无通信功能无线电能传输系统框图。
图2为本发明供电侧发送数据、受电侧接收数据的无线电能传输系统框图。
图3为本发明受电侧发送数据、供电侧接收数据的无线电能传输系统框图。
图4为本发明载波调制耦合模块的一种实施方式结构示意图。
图5为本发明载波调制耦合模块的另一种实施方式结构示意图。
图6为一种无线电能传输系统的结构示意图。
图7为SS结构的无线电能传输系统电路示意图。
图8为副边含有载波调制耦合模块的无线电能传输系统电路示意图。
图9为输出频率5KHz占空比为50％的方波调制信号波形图。
图10为载波调制耦合模块的输出信号波形图。
图11为发送端载波调制耦合模块输出信号以及接收端原边直流电流信号的波形图。
图12为发送端信号及接收端信号的频谱示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，无线电能传输系统的直流端串联载波调制耦合模块，向异侧发送数字调制信号；数据正向传输时，无线电能传输系统供电侧的直流电源输出端与载波调制耦合模块的输出端相串联，用于供电侧向受电侧的数据传输，如图2所示。数据反向传输时，受电侧的直流负载输入端与载波调制耦合模块的输出端相串联，用于受电侧向供电侧的数据传输，如图3所示。载波调制耦合模块输出经数字调制的信号，该信号通过无线电能传输系统传输至异侧，再通过异侧的解调电路对信号进行解调，实现数据通信。
上述无线电能传输系统包括供电侧的逆变电路、受电侧的整流电路以及这两者之间的电能传输网络。载波调制耦合模块包括信号调制电路和信号耦合电路，信号调制电路对数据进行方波调制后输出数字调制信号，信号耦合电路将数字调制信号耦合至直流电源线路。
在一种实施方式中，信号调制电路采用半桥电路，输出单端调制信号，如图4所示，信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1。其中Z1的一端与调制电路的输出端相连，另一端与T1的原边串连，T1的原边另一端接地，同时T1的原边与C1并连；T1的副边与电容C2并连，然后与无线电能传输系统的直流电源或直流负载串联。
在另一种实施方式中，信号调制电路采用全桥电路，输出双端调制信号，如图5所示，信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1。其中Z1的一端与调制电路的一个输出端相连，另一端与T1的原边串连，T1的原边另一端与调制电路的另一个输出端相连，同时T1的原边与C1并连；T1的副边与电容C2并连，然后与无线电能传输系统的直流电源或直流负载串联。
上述阻抗网络Z1的结构可以选择LC、RLC或RC串连结构。原边补偿电容C1和副边补偿电容C2可以仅采用其中之一，也可以全部取消。
本发明的基本原理是利用逆变/整流电路的混频特性，以图6所示的逆变电路为例，其中E为直流电源，v1为本发明载波调制耦合模块等效的信号源，设v1＝V1sin(w1t)，全桥电路的开关过程可等效为开关函数S1：
则全桥逆变电路的输出电压可表示为vs＝(E+v1)S1；以基波分量近似表示S1即
其中ws＝2π/Ts，可得：
由上式可知，频率为w1的信号经调制后，频谱迁移到(ws±w1)频段；因w1＜＜ws，如(ws±w1)频率位于无线耦合网络的通带中，则这两部分信号均可通过无线耦合网络传输到受电侧；同理，在受电侧加入低频通信信号，也可在供电侧接收到数据信号。因此，利用无线电能传输系统直流端的纹波信号，可以实现原副边通信。
本实施方式以一个SS结构的无线电能传输系统为例，该系统如图7所示，为了实现从副边向原边发送调制信号，在该系统副边的直流端加入载波调制耦合模块，如图8所示，载波调制耦合模块包括信号耦合电路和信号调制电路。
信号调制电路以半桥为例，输出频率5KHz占空比为50％方波调制信号，如图9所示，信号耦合电路包括阻抗网络Z、副边补偿电容C2和隔离变压器T1。其中阻抗网络Z的结构选择LC串联结构(L1＝1mH，C1＝1uF)，采用副边补偿电容C2＝500uF，隔离变压器原边自感2.4mH，副边自感26uH，互感250uH。信号调制电路输出的方波通过滤波以正弦波形式耦合在副边的直流端，在原边直流段采集电流，通过滤波电路和解调即可得到调制信号。
信号调制方式以二进制振幅键控OOK为例，每间隔10ms发送方波信号，载波耦合模块输出波形如图10所示，并同时观察载波耦合模块输出以及原边直流端电流，如图11所示。通过傅立叶变换FFT分析可以观察到原边侧含有5KHz分量，如图12所示，通过滤波电路和解调即可得到调制信号。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，其供电侧通过滤波电容与直流电源相连，受电侧通过滤波电容与直流负载相连，其特征在于：所述无线电能传输系统供电侧滤波电容前端与直流电源之间以及受电侧滤波电容后端与直流负载之间设置有载波调制耦合模块和数据解调模块，所述载波调制耦合模块用于将数据信息通过载波的形式注入到无线电能传输系统一侧滤波电容前端的直流母线上完成对数据信息的调制，无线电能传输系统将调制信号从一侧无线传输至另一侧，所述数据解调模块则在另一侧滤波电容后端的直流母线上通过信号采集并解调得到数据信息，从而实现数据双向通信；所述载波的频率远低于无线电能传输系统的功率传输频率；
所述无线电能传输系统包括供电侧的逆变电路、受电侧的整流电路以及两者之间的无线电能传输网络，所述无线电能传输网络可采用感性耦合式电能传输或容性耦合式电能传输的形式，所述感性耦合式电能传输形式可采用磁感应式无线电能传输系统或磁谐振式无线电能传输系统实现。
2.根据权利要求1所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述载波调制耦合模块包括：
信号调制电路，用于对数据信息进行调制后生成调制信号；
信号耦合电路，用于对调制信号进行滤波后耦合至无线电能传输系统一侧的直流母线上。
3.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路对数据信息进行频带调制，调制方法可采用OOK、FSK、多进制PSK、DPSK、QAM或OFDM。
4.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路对数据信息进行基带调制，其波特率远低于无线电能传输系统的功率传输频率，基带调制方法可采用不归零码、归零码或曼彻斯特编码。
5.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路包括半桥电路、方波调制模块和驱动电路，所述半桥电路包括两个功率开关管Q1和Q2，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的输出端，功率开关管Q2的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号，所述驱动电路对方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端接地，原边补偿电容C1与隔离变压器T1的原边绕组并联，隔离变压器T1的副边绕组串接在无线电能传输系统供电侧或受电侧的直流母线上，原边补偿电容C2与隔离变压器T1的副边绕组并联。
6.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路包括全桥电路、方波调制模块和两个驱动电路H1和H2，所述全桥电路包括四个功率开关管Q1～Q4，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的第一输出端，功率开关管Q2的源极接地，功率开关管Q3的漏极接直流电压，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极相连并作为信号调制电路的第二输出端，功率开关管Q4的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号并分为两路输出，驱动电路H1对一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极，驱动电路H2对另一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q3和Q4的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的第一输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端与信号调制电路的第二输出端相连，原边补偿电容C1与隔离变压器T1的原边绕组并联，隔离变压器T1的副边绕组串接在无线电能传输系统供电侧或受电侧的直流母线上，原边补偿电容C2与隔离变压器T1的副边绕组并联。
7.根据权利要求1所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述数据解调模块通过采集同侧直流电感线圈上的电压或电流信号，或者通过采集同侧直流母线上的电压或电流纹波信号，进而对信号进行解调得到数据信息。
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