CN114499591B - 一种无线电力载波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线电力载波装置，该装置包括共口径松耦合线圈、用电负载、电压生成电路、载波信号生成电路、直流电压生成电路和通信信号产生电路，共口径松耦合线圈包括原边线圈和副边线圈，原边线圈由两个电路上完全独立的原边通信线圈和原边传能线圈组成，原边传能线圈和原边通信线圈在空间上平行相叠设置，副边线圈由两个电路上完全独立的副边通信线圈和副边传能线圈组成，副边传能线圈和副边通信线圈在空间上平行相叠设置，电能无线传输信号通过副边传能线圈输出，通信无线传输信号通过副边通信线圈输出。本发明可实现无线电力载波设备在高电压(500V以上)、大功率(5kW以上)无线传能的同时，具备高速率(10Mbps以上)的无线通信能力。
Description
技术领域
本发明属于无线电力载波装置技术领域，涉及一种无线电力载波装置，特别的涉及一种采用独立圆形线圈与DD线圈共口径拓扑的无线电力载波装置。
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以下两类：
1)供电；
2)数据通信。
现有技术下，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。
发明专利“一种无线电力载波设备(ZL201911020707.8)”提出一种利用同一磁介质，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、又传输通信信号的方法，给解决上述问题提出了一条有效的技术途径，并将该技术命名为“无线电力载波技术”。但是，发明专利ZL201911020707.8提出的方法中，电能的无线传输和通信数据的无线传输利用同一对线圈实现，电能无线传输信号与通信无线传输信号在线圈原边的同样位置注入，电能无线传输信号与通信无线传输信号在线圈副边的同样位置输出。这样做虽然可以最大限度的利用线圈、简化系统拓扑结构，但由于电能无线传输信号的特点是低频和窄带，而通信数据无线传输信号的特点是高频和宽带，因此这两个信号之间的会产生较强的相互干扰，尤其是无线电能传输的电压较高(500V以上)和功率较大(5kW以上)时，无线传能信号对无线通信信号的会产生非常大的干扰，很难达到很高的通信速率(10Mbps以上)。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提供了一种无线电力载波装置。
本发明的技术解决方案如下：提供一种无线电力载波装置，该装置包括：
共口径松耦合线圈，所述共口径松耦合线圈包括原边线圈和副边线圈，所述原边线圈由两个电路上完全独立的原边通信线圈和原边传能线圈组成，所述原边传能线圈和所述原边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述副边线圈由两个电路上完全独立的副边通信线圈和副边传能线圈组成，所述副边传能线圈和所述副边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述原边传能线圈与副边传能线圈之间耦合电能传输信号，所述原边通信线圈与副边通信线圈之间耦合通信传输信号；
用电负载；
电压生成电路，所述电压生成电路用于生成正弦电压信号并将所述正弦电压信号输出至所述原边传能线圈；
载波信号生成电路，所述载波信号生成电路用于生成原边载波信号并将所述原边载波信号输出至所述原边通信线圈；
直流电压生成电路，所述直流电压生成电路的输入端与副边传能线圈的输出端连接，所述直流电压生成电路的输出端与所述用电负载连接；
通信信号产生电路，所述通信信号产生电路的输入端与副边通信线圈的输出端连接；
其中，所述原边传能线圈根据输入的正弦电压信号产生传能信号磁场，所述原边通信线圈根据输入的原边载波信号产生通信信号磁场，所述传能信号磁场和所述通信信号磁场互相交叠并共同感应至共口径松耦合线圈的副边线圈；所述副边传能线圈感应出供电能量电压信号并传输至直流电压生成电路，所述直流电压生成电路根据所述供电能量电压信号生成直流电压并输出至所述用电负载；所述副边通信线圈感应出副边载波信号并传输至通信信号产生电路，所述通信信号产生电路根据所述副边载波信号生成数字通信信号并输出。
进一步地，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈，且所述所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈；或，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈，且所述所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈。
进一步地，所述原边通信线圈和原边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈；所述副边通信线圈和副边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈。
进一步地，所述原边通信线圈和原边传能线圈采用结构一体化设计时，所述原边通信线圈和原边传能线圈在(X，Y)平面上中心点重合；所述副边通信线圈和副边传能线圈采用结构一体化设计时，所述副边通信线圈和副边传能线圈在(X，Y)平面上中心点重合。
进一步地，电压生成电路包括输入电源、高频变换电路和输入补偿电路，其中，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端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端与原边传能线圈相连接，将正弦电压信号送入原边传能线圈。
进一步地，载波信号生成电路包括输入端通信电路、输入端调制电路、功率放大器a和解耦滤波电路a，其中，输入端通信电路与输入端调制电路的输入端相连接，将数字通信信号传送给输入端调制电路；输入端调制电路的输出端与功率放大器a的输入端相连接，功率放大器a将输入端调制电路产生的调制信号的功率放大，并将功率放大后的调制放大信号接至解耦滤波电路a的输入端，解耦滤波电路a产生原边载波信号，并送入原边通信线圈。
进一步地，直流电压生成电路包括输出补偿电路和整流滤波电路，其中，副边传能线圈的输出端与输出补偿电路的输入端连接，输出补偿电路将副边传能线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉，得到高频交流电压信号；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、滤波为直流电压并提供给用电负载。
进一步地，通信信号产生电路包括解耦滤波电路b、功率放大器b、输出端解调电路以及输出端通信电路，其中，解耦滤波电路b的输入端与副边通信线圈的输出端相连接，接收副边通信线圈感应出的副边载波信号，对副边载波信号进行解耦和滤波得到待解调信号；解耦滤波电路b的输出端连接至功率放大器b的输入端，功率放大器b将待解调信号信号进行功率放大后得到待解调放大信号；功率放大器b的输出端连接至输出端解调电路的输入端，输出端解调电路将待解调放大信号解调为需要传递的数字通信信号；输出端解调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，解耦滤波电路a包括解耦电路a和带组滤波电路a。
进一步地，解耦滤波电路b包括解耦电路b和带组滤波电路b。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
第一、采用本发明所述的采用独立圆形线圈与DD线圈共口径拓扑的无线电力载波装置后，利用共口径松耦合线圈内的电磁感应磁场，实现了电能和通信信号的同介质传输；
第二、本发明在共口径松耦合线圈内的原、副边线圈内均采用独立圆形线圈与DD线圈共口径的拓扑结构，电能传输信号和数据传输信号连接至电路上完全隔离的两个独立原边线圈，并从电路上完全隔离的两个独立副边线圈感应输出，这样从电路机理上隔绝了两种信号的串扰；
第三、本发明采用两种几何形状不同的线圈分别进行电能和通信数据的耦合，一个采用圆形线圈，另一个采用DD线圈，依靠两种线圈之间的空间极化场进行隔离，实现共口径松耦合线圈内电能信号磁场与通信信号磁场的解耦；
第四、本发明的频域解耦方案，采用了由“解耦电路”和“带阻滤波电路”组成的“解耦滤波电路”有效阻止“传能电压信号”串扰至数据通信通道中；
第五、本发明的功率放大措施，采用功率放大器将通信信号功率进行放大，提高了传输信号的信噪比，保证了通信信号的正确传输；
第六、本发明实现高压、大功率无线传能条件下信号的高速率无线传输，也即本发明无线电力载波设备在高电压(500V以上)、大功率(5kW以上)无线传能的同时，具备高速率(10Mbps以上)的无线通信能力。
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为本发明采用独立圆形线圈与DD线圈共口径拓扑的无线电力载波装置原理框图；
图2为本发明圆形线圈与DD线圈的空间解耦示意图；
图3为本发明解耦滤波电路原理图；
图4为本发明输入端调制电路原理框图；
图5为本发明输出端解调电路原理框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
正如背景技术记载，现有技术中，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、又传输通信信号的方法，完全通过无线方式完成“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。但该技术电能的无线传输和通信数据的无线传输利用同一对线圈实现，很难避免两种信号的相互干扰，导致无法实现高压、大功率传能条件下信号的高速率无线传输。
为此，如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供一种无线电力载波装置，该装置包括共口径松耦合线圈、用电负载、电压生成电路、载波信号生成电路、直流电压生成电路和通信信号产生电路，所述共口径松耦合线圈包括原边线圈和副边线圈，所述原边线圈由两个电路上完全独立的原边通信线圈和原边传能线圈组成，所述原边传能线圈和所述原边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述副边线圈由两个电路上完全独立的副边通信线圈和副边传能线圈组成，所述副边传能线圈和所述副边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述原边传能线圈与副边传能线圈之间耦合电能传输信号，所述原边通信线圈与副边通信线圈之间耦合通信传输信号；所述电压生成电路用于生成正弦电压信号并将所述正弦电压信号输出至所述原边传能线圈；所述载波信号生成电路用于生成原边载波信号并将所述原边载波信号输出至所述原边通信线圈；所述直流电压生成电路的输入端与副边传能线圈的输出端连接，所述直流电压生成电路的输出端与所述用电负载连接；所述通信信号产生电路的输入端与副边通信线圈的输出端连接；其中，所述原边传能线圈根据输入的正弦电压信号产生传能信号磁场，所述原边通信线圈根据输入的原边载波信号产生通信信号磁场，所述传能信号磁场和所述通信信号磁场互相交叠并共同感应至共口径松耦合线圈的副边线圈；所述副边传能线圈感应出供电能量电压信号并传输至直流电压生成电路，所述直流电压生成电路根据所述供电能量电压信号生成直流电压并输出至所述用电负载；所述副边通信线圈感应出副边载波信号并传输至通信信号产生电路，所述通信信号产生电路根据所述副边载波信号生成数字通信信号并输出。
其中，电压生成电路包括输入电源、高频变换电路和输入补偿电路，其中，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端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端与原边传能线圈相连接，将正弦电压信号送入原边传能线圈。
载波信号生成电路包括输入端通信电路、输入端调制电路、功率放大器a和解耦滤波电路a，其中，输入端通信电路与输入端调制电路的输入端相连接，将数字通信信号传送给输入端调制电路；输入端调制电路的输出端与功率放大器a的输入端相连接，功率放大器a将输入端调制电路产生的调制信号的功率放大，并将功率放大后的调制放大信号接至解耦滤波电路a的输入端，解耦滤波电路a产生原边载波信号，并送入原边通信线圈。
直流电压生成电路包括输出补偿电路和整流滤波电路，其中，副边传能线圈的输出端与输出补偿电路的输入端连接，输出补偿电路将副边传能线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉，得到高频交流电压信号；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、滤波为直流电压并提供给用电负载。
通信信号产生电路包括解耦滤波电路b、功率放大器b、输出端解调电路以及输出端通信电路，其中，解耦滤波电路b的输入端与副边通信线圈的输出端相连接，接收副边通信线圈感应出的副边载波信号，对副边载波信号进行解耦和滤波得到待解调信号；解耦滤波电路b的输出端连接至功率放大器b的输入端，功率放大器b将待解调信号信号进行功率放大后得到待解调放大信号；功率放大器b的输出端连接至输出端解调电路的输入端，输出端解调电路将待解调放大信号解调为需要传递的数字通信信号；输出端解调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。
较佳地，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈，且所述所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈；或，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈，且所述所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈。
较佳地，所述原边通信线圈和原边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈；所述副边通信线圈和副边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈。
具体来说:
本发明的目的是克服现有技术中采用同一对线圈无线传输带来的缺点，在保证传输线圈从外观上看仍然是一体化结构的条件下，采用一种采用独立圆形线圈与DD线圈共口径的拓扑结构，两对线圈分别用来传输电能信号和通信数据，从电路层面减小了传能信号和通信信号之间的干扰，在此基础上，再加辅以频域解耦方案、功率放大措施、和物理链路解耦方案，最终可实现无线电力载波设备在高电压(500V以上)、大功率(5kW以上)无线传能的同时，具备高速率(10Mbps以上)的无线通信能力。
本方明的采用独立圆形线圈与DD线圈共口径拓扑的无线电力载波装置原理框图如图1所示，一种通过无线电力载波设备，包含1个输入电源、1个高频变换电路、1个输入补偿电路、1个输入端通信电路、1个输入端调制电路、1个功率放大器a、1个解耦滤波电路a、1个共口径松耦合线圈、1个输出补偿电路、1个整流滤波电路、1个用电负载、1个解耦滤波电路b、1个功率放大器b、1个输出端解调电路、以及1个输出端通信电路。
其中共口径松耦合线圈分为原边线圈和副边线圈两部分，原边线圈和副边线圈可以从物理结构上完全分离开，原边线圈包含两个独立的线圈，分别是“1点”与“2点”之间的原边传能线圈和“5点”与“6点”之间的原边通信线圈；副边线圈包含两个独立的线圈，分别是“3点”与“4点”之间的副边传能线圈和“7点”与“8点”之间的副边通信线圈。原边传能线圈与副边传能线圈之间耦合电能传输信号，原边通信线圈与副边通信线圈之间耦合通信传输信号。
从该共口径松耦合线圈的拓扑结构即可看出本发明的重要特征：原边线圈和副边线圈均由两个电路上完全独立的通信线圈和传能线圈组成。在结构设计时，原边通信线圈和原边传能线圈可进行结构一体化设计，共同组成原边线圈；副边通信线圈和副边传能线圈也可进行结构一体化设计，共同组成副边线圈，因此从外观上看原边线圈和副边线圈仍然分别是一体化的结构。
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共口径松耦合线圈的原边线圈中的原边传能线圈相连接，将正弦电压信号送入共口径松耦合线圈的原边传能线圈。另一边，输入端通信电路与输入端调制电路的输入端相连接，将数字通信信号传送给输入端调制电路。输入端调制电路的输出端与功率放大器a的输入端相连接，功率放大器a将输入端调制电路产生的调制信号的功率放大后后，将功率放大后的“调制放大信号”接至解耦滤波电路a的输入端，解耦滤波电路a产生原边载波信号，并送入共口径松耦合线圈的原边线圈中的原边通信线圈。原边传能线圈产生传能信号磁场，原边通信线圈产生通信信号磁场，传能信号磁场与通信信号磁场在共口径松耦合线圈内的空间相互叠加。
如图1所示，共口径松耦合线圈内感应磁场中含有两部分分量，其中一部分是原边传能线圈产生传能信号磁场分量，中心频点在100kHz左右；另外一部分是原边通信线圈产生通信信号磁场分量，中心频点约在100MHz～1GHz左右。共口径松耦合线圈磁场的耦合作用下，副边传能线圈上感应出以供电能量电压信号为主的感应电压信号；副边通信线圈上感应出以载波信号为主的感应电压信号。
共口径松耦合线圈的副边传能线圈的输出端与输出补偿电路的输入端连接，输出补偿电路将副边传能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，解耦滤波电路b的输入端与共口径松耦合线圈的副边通信线圈的输出端相连接，接收副边通信线圈感应出的副边载波信号，对副边载波信号进行解耦和滤波得到待解调信号。解耦滤波电路b的输出端连接至功率放大器b的输入端，功率放大器b将待解调信号信号进行功率放大后得到待解调放大信号。功率放大器b的输出端连接至输出端解调电路的输入端，输出端解调电路将待解调放大信号解调为需要传递的数字通信信号。输出端解调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。
通过如图1所示的拓扑结构，电能和通信信号分别在共口径松耦合线圈处以无线的方式实现传输。
图2所示是圆形线圈与DD线圈的空间解耦示意图，圆形线圈和DD线圈在空间上平行相叠(也即两者相接触，其中一个置于另一个上，两者所在平面平行设置)。在本实施例中可以将圆形线圈用作传能线圈、将DD线圈用作通信线圈；也可将DD线圈用作传能线圈、将圆形线圈用作通信线圈。如果是将圆形线圈用作传能线圈、将DD线圈用作通信线圈的情况，则原边线圈将包含图2所示的两个线圈，其中圆形线圈用作原边传能线圈、DD线圈用作原边通信线圈；副边线圈也包含图2所示的两个线圈，其中圆形线圈用作副边传能线圈、DD线圈用作副边通信线圈。如果是将DD线圈用作传能线圈、将圆形线圈用作通信线圈的情况，则原边线圈将包含图2所示的两个线圈，其中DD线圈用作原边传能线圈、圆形线圈用作原边通信线圈；副边线圈也包含图2所示的两个线圈，其中DD线圈用作副边传能线圈、圆形线圈用作副边通信线圈。由图2中所示的两个线圈的空间耦合强度图可以看出，当两个线圈在(X，Y)平面(X方向是与线圈在同一平面并垂直于DD线圈中两个矩形线圈分界线的方向，Y方向是与线圈在同一平面并平行于DD线圈中两个矩形线圈分界线的方向，Z方向是垂直于线圈平面的方向)上中心点重合时，耦合强度为零，也就是说圆形线圈与DD线圈可以实现空间磁场的解耦。因此在原边线圈和副边线圈结构一体化设计时，优选保证两个线圈在(X，Y)平面上中心点重合，
图3所示是解耦滤波电路原理图，解耦滤波电路a和解耦滤波电路b的电路结构类似，内部均包含“解耦电路”和“带阻滤波电路”两部分电路，“解耦电路”的作用是将通过共口径松耦合线圈内电路、磁路耦合过来“供电能量电压信号”去除，“带阻滤波电路”的作用是将“解耦电路”未能完全去除掉的“供电能量电压信号”的残余分量滤除。因此，解耦滤波电路a的作用就是保证电能无线传输通道的信号不会干扰通信信号发送侧的电路工作；解耦滤波电路b的作用是把副边通信线圈感应出的载波信号中的低频分量(供电能量电压信号分量)去除，保证解耦滤波电路b输出的信号均为数据通信相关信号。表1所示是本实施里给出的解耦滤波电路的典型电路参数值，由本解耦滤波电路提供的频域解耦方案，使低频(中心频点100kHz左右)传能电压信号在发射端和接收端均无法串扰至数据通信电路，保证高频通信信号(中心频点约在100MHz～1GHz左右)的低误码率传输。
表1 解耦滤波电路的典型电路参数值
| 序号 | 代号 | 参数值 |
| 1 | C<sub>1</sub> | 2nF |
| 2 | L<sub>1</sub> | 33.88μH |
| 3 | C<sub>2</sub> | 102nF |
| 4 | C<sub>3</sub> | 2nF |
| 5 | L<sub>2</sub> | 33.88μH |
| 6 | C<sub>4</sub> | 102nF |
图4所示是输入端调制电路原理框图，输入端调制电路包含1个“信道纠错编码”模块、1个“交织”模块、1个“64QAM调制”模块、1个“串并转换”模块、1个“快速傅里叶逆变换”模块、1个“加循环前缀”模块、1个“插入导频”模块、1个“并串转换”模块、1个“加窗”模块、1个“加入前导训练符号”模块，数字通信信号进入输入端调制电路后，依次顺序经过“信道纠错编码”模块、交织”模块、“64QAM调制”模块、“串并转换”模块、“快速傅里叶逆变换”模块、“加循环前缀”模块、“插入导频”模块、“并串转换”模块、“加窗”模块、“加入前导训练符号”模块的信号处理，完成调制工作得到“调制信号”。
图5所示是输出端解调电路原理框图，输出端解调电路包含1个“干扰对消”模块、1个“同步”模块、1个“串并转换”模块、1个“去循环前缀”模块、1个“快速傅里叶变换”模块、1个“导频分离”模块、1个“信道估计”模块、1个“64QAM解调”模块、1个“并串转换”模块、1个“解交织”模块、1个“信道纠错译码”模块，“待解调放大信号”进入输出端解调电路后，依次顺序经过“干扰对消”模块、“同步”模块、“串并转换”模块、“去循环前缀”模块、“快速傅里叶变换”模块、“导频分离”模块、“信道估计”模块、“64QAM解调”模块、“并串转换”模块、“解交织”模块、“信道纠错译码”模块的信号处理，完成解调工作，将输入端通信电路发送出的“数字通信信号”还原出来。
图4所示输入端调制电路与图5所示输出端解调电路结合起来就是一个完整的物理链路，采用的是一个基于正交频分复用(OFDM)的调制/解调方案，表2所示是本实施例所采用的OFDM的调制/解调方案的参数列表。
表2 OFDM设计参数列表
| 参数符号 | 参数名称说明 | 设计参数 |
| BW | OFDM整体信号带宽 | 41.3MHz |
| h | 子载波数 | 236个 |
| Δf | 子载波间隔 | 175kHz |
| N<sub>p</sub> | 插入导频个数 | 22个 |
| N | IFFT(快速傅里叶逆变换)点数 | 256个 |
| N<sub>cp</sub> | 加入cp(循环前缀)个数 | 15个 |
| N<sub>pi</sub> | 两导频之间间隔个数 | 8个 |
| T<sub>s</sub> | 采样周期 | 22.3ns |
| F<sub>s</sub> | 采样率 | 44.8Msps |
| T<sub>cp</sub> | 保护间隔时间 | 334ns |
| R<sub>s</sub> | 有效传输的符号率 | 165313symbol/s |
| T<sub>OFDM</sub> | 一个完整OFDM符号周期 | 6.0433μs |
| T<sub>u</sub> | 有效OFDM符号时间 | 5.7088μs |
| R | CFR码率 | 2/3 |
| N<sub>bit</sub> | 每个OFDM符号携带的bit数 | 944bit/symbol |
| η | 插入导频后有效数据传输效率 | 7/8 |
| M | 调制方式的矢量端点 | 64 |
| R<sub>b</sub> | 整体传输比特率 | 136Mbps |
除此以外，本实施例在数据通信无线传输通道上，在发送侧和接收侧，均使用了功率放大器，以增强数据传输信号的功率，提高整体传输的信噪比，可以满足传能电压增加和传能功率增大情况下，数据传输的正确性，达到10Mbps以上的通信速率。
采用本发明所述的采用独立圆形线圈与DD线圈共口径拓扑的无线电力载波装置后，利用共口径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。共口径松耦合线圈的原边线圈和副边线圈均由两个电路上完全独立的通信线圈和传能线圈组成。在结构设计时，原边通信线圈和原边传能线圈可进行结构一体化设计，共同组成原边线圈；副边通信线圈和副边传能线圈也可进行结构一体化设计，共同组成副边线圈，因此从外观上看原边线圈和副边线圈仍然分别是一体化的结构。该方法与“原边和副边均采用一对线圈的方案”相比较，在尺寸、重量和使用便捷性的方面考量，均无明显变化。
除此以外，首先，本发明在共口径松耦合线圈内的原、副边线圈内均采用采用独立圆形线圈与DD线圈共口径的拓扑结构，电能传输信号和数据传输信号从不同通道进入共口径松耦合线圈，并从不同位置感应输出，这样从电路机理上减小了两种信号的串扰；其次，本发明采用两种几何形状不同的线圈分别进行电能和通信数据的耦合，一个采用圆形线圈，另一个采用DD线圈，依靠两种线圈之间的空间极化场进行隔离，实现共口径松耦合线圈内电能信号磁场与通信信号磁场的解耦；第三，本发明的频域解耦方案，采用了由“解耦电路”和“带阻滤波电路”组成的“解耦滤波电路”有效阻止“传能电压信号”串扰至数据通信通道中；第四，本发明的，功率放大措施，采用功率放大器将通信信号功率进行放大，提高了传输信号的信噪比，保证了通信信号的正确传输；第五，本发明了物理链路解耦方案，采用一种基于正交频分复用(OFDM)的调制/解调方案，从物理链路层面保证了信号传输的低误码率。采取以上措施后，可实现无线电力载波设备在高电压(500V以上)、大功率(5kW以上)无线传能的同时，具备高速率(10Mbps以上)的无线通信能力。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线电力载波装置，其特征在于，所述装置包括：
共口径松耦合线圈，所述共口径松耦合线圈包括原边线圈和副边线圈，所述原边线圈由两个电路上完全独立的原边通信线圈和原边传能线圈组成，所述原边传能线圈和所述原边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述副边线圈由两个电路上完全独立的副边通信线圈和副边传能线圈组成，所述副边传能线圈和所述副边通信线圈在空间上平行相叠设置，所述原边传能线圈与副边传能线圈之间耦合电能传输信号，所述原边通信线圈与副边通信线圈之间耦合通信传输信号；
用电负载；
电压生成电路，所述电压生成电路用于生成正弦电压信号并将所述正弦电压信号输出至所述原边传能线圈；
载波信号生成电路，所述载波信号生成电路用于生成原边载波信号并将所述原边载波信号输出至所述原边通信线圈；
直流电压生成电路，所述直流电压生成电路的输入端与副边传能线圈的输出端连接，所述直流电压生成电路的输出端与所述用电负载连接；
通信信号产生电路，所述通信信号产生电路的输入端与副边通信线圈的输出端连接；
其中，所述原边传能线圈根据输入的正弦电压信号产生传能信号磁场，所述原边通信线圈根据输入的原边载波信号产生通信信号磁场，所述传能信号磁场和所述通信信号磁场互相交叠并共同感应至共口径松耦合线圈的副边线圈；所述副边传能线圈感应出供电能量电压信号并传输至直流电压生成电路，所述直流电压生成电路根据所述供电能量电压信号生成直流电压并输出至所述用电负载；所述副边通信线圈感应出副边载波信号并传输至通信信号产生电路，所述通信信号产生电路根据所述副边载波信号生成数字通信信号并输出。
2.根据权利要求1所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈，且所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈；或，所述原边通信线圈和所述副边通信线圈均采用DD线圈，且所述副边通信线圈和所述副边通信线圈均采用圆形线圈。
3.根据权利要求2所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，所述原边通信线圈和原边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈；所述副边通信线圈和副边传能线圈采用结构一体化设计，构成所述原边线圈。
4.根据权利要求3所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，所述原边通信线圈和原边传能线圈采用结构一体化设计时，所述原边通信线圈和原边传能线圈在(X，Y)平面上中心点重合；所述副边通信线圈和副边传能线圈采用结构一体化设计时，所述副边通信线圈和副边传能线圈在(X，Y)平面上中心点重合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，电压生成电路包括输入电源、高频变换电路和输入补偿电路，其中，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端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端与原边传能线圈相连接，将正弦电压信号送入原边传能线圈。
6.根据权利要求5所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，载波信号生成电路包括输入端通信电路、输入端调制电路、功率放大器a和解耦滤波电路a，其中，输入端通信电路与输入端调制电路的输入端相连接，将数字通信信号传送给输入端调制电路；输入端调制电路的输出端与功率放大器a的输入端相连接，功率放大器a将输入端调制电路产生的调制信号的功率放大，并将功率放大后的调制放大信号接至解耦滤波电路a的输入端，解耦滤波电路a产生原边载波信号，并送入原边通信线圈。
7.根据权利要求6所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，直流电压生成电路包括输出补偿电路和整流滤波电路，其中，副边传能线圈的输出端与输出补偿电路的输入端连接，输出补偿电路将副边传能线圈感应出的供电能量电压信号中的谐波成分补偿掉，得到高频交流电压信号；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、滤波为直流电压并提供给用电负载。
8.根据权利要求7所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，通信信号产生电路包括解耦滤波电路b、功率放大器b、输出端解调电路以及输出端通信电路，其中，解耦滤波电路b的输入端与副边通信线圈的输出端相连接，接收副边通信线圈感应出的副边载波信号，对副边载波信号进行解耦和滤波得到待解调信号；解耦滤波电路b的输出端连接至功率放大器b的输入端，功率放大器b将待解调信号进行功率放大后得到待解调放大信号；功率放大器b的输出端连接至输出端解调电路的输入端，输出端解调电路将待解调放大信号解调为需要传递的数字通信信号；输出端解调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。
9.根据权利要求1所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，解耦滤波电路a包括解耦电路a和带组滤波电路a。
10.根据权利要求1所述的一种无线电力载波装置，其特征在于，解耦滤波电路b包括解耦电路b和带组滤波电路b。
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