CN114552799A - 基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输领域，公开了基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，包括交流源、电能发射单元、电能接收单元、全桥整流电路、电阻负载、耦合变压器、数据发送电路、数据接收电路以及解调单元，通过基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法，能够实现无线充电系统中电能与信息通过共享信道同步传输，无需调制能量波形，不存在电能传输频率限制数据传输速率，且系统传输功率和效率会受信息传输影响的问题，数据传输速率高，功率输出稳定，可以实现信息的半双工传输。

Description

基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体的是基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统及方法。

背景技术

基于磁耦合谐振的无线电能传输技术，由于其安全、可靠、方便、实用等特点，在电动汽车、植入式医疗等众多领域得到了广泛的应用，但在一些特定的应用场合中，如高精度机械传输元件和无线传感器网络等，在实现无线电能传输的同时，还需要传输数据来实现远程控制、数据交换、反馈系统状态等。现有技术中，常通过调制能量波形的方法来进行无线电能与信息的同步传输，不仅电能传输频率会限制数据传输速率，这种方法还会影响系统的传输功率和传输效率。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统及方法，能够实现无线充电系统中电能与信息通过共享信道同步传输，无需调制能量波形，不存在电能传输频率限制数据传输速率，且系统传输功率和效率会受信息传输影响的问题，数据传输速率高，功率输出稳定，可以实现信息的半双工传输。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，包括交流源、电能发射单元、电能接收单元、全桥整流电路、电阻负载、耦合变压器、数据发送电路、数据接收电路以及解调单元，

所述电能发射单元包括原边发射线圈L₁和原边补偿电容C₁；

所述电能接收单元包括副边接收线圈L₂和副边补偿电容C₂；

所述耦合变压器包括原边信息注入耦合变压器T₁和副边信息提取耦合变压器T₂；

所述数据发送电路包括高频载波信号源u_c，电感L_p1、电容C_p1、电容C_p2、数据选择开关S₁；

所述数据接收电路包括信号提取电阻R_s，电感L_p2、电容C_s1、电容C_s2以及数据选择开关S₂；

所述解调单元包括带通滤波器模块、包络检波模块、低通滤波模块以及比较判决模块；

所述系统中电能与信息采用同一线圈作为传输通路，电能传输通路和信息传输通路通过耦合变压器相连，用于电能传输的主电路拓扑为S-P拓扑，用于数据发送和数据接收的电路采用对称相同的LCC谐振拓扑。

进一步的，所述原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c1、原边发射线圈L1和原边补偿电容C₁串联连接；

所述副边接收线圈L₂和副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c3串联连接后与副边补偿电容C₂并联连接；

所述副边补偿电容C_2还和整流电路输入端相连接，整流电路的输出端连接负载R_L；

所述滤波电容C_d和负载R_L并联连接；

进一步的，所述数据发送电路中，高频载波信号源u_c一端连接电感L_p1，高频载波信号源u_c另一端连接电容C_p1，电感L_p1的另一端和电容C_p1的另一端相连，电感L_p1的另一端还和数据选择开关S₁相连，数据选择开关S₁的另一端和原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2相连，原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2的另一端和电容C_p2相连，电容C_p2的另一端和电容C_p1相连；所述数据接收电路中，信号提取电阻R_s一端连接电感L_p2，另一端连接电容C_s1，电感L_p2的另一端和电容C_s1的另一端相连，电感L_p2的另一端还和数据选择开关S₂相连，数据选择开关S₂的另一端和副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4相连，副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4的另一端和电容C_s2相连，电容C_s2的另一端和电容C_s1相连。

进一步的，所述交流源为供电电源，其基频频率为电能传输回路谐振频率f₀；将LCC具有的一个稳定谐振频率f₂和两个次稳定谐振频率f₁和f₃作为信息载波频率，且f₁<f₂<f₃；信息载波频率远远大于电能传输回路谐振频率。

进一步的，采样所述数据接收电路中信号提取电阻两端的电压信号，再通过非相干解调方法实现信息解调。

基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法：

信息正向传输情况下，数据选择开关S₂保持闭合，在二进制数据信号为“00”时，数据选择开关S₁断开；在二进制数据信号为“01”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₁；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₂；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₃；信息反向传输情况下，数据选择开关S₁保持闭合，载波信号源的设置和信息正向传输情况下一致。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法，能够实现无线充电系统中电能与信息通过共享信道同步传输，无需调制能量波形，不存在电能传输频率限制数据传输速率，且系统传输功率和效率会受信息传输影响的问题，数据传输速率高，功率输出稳定，可以实现信息的半双工传输。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本申请实施例的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法系统结构图；

图2为图1中电能传输回路等效原理图；

图3为图1中信息传输回路等效原理图。

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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，包括交流源、电能发射单元、电能接收单元、全桥整流电路、电阻负载、耦合变压器、数据发送电路、数据接收电路以及解调单元，其特征在于，

所述电能发射单元包括原边发射线圈L₁和原边补偿电容C₁；

所述电能接收单元包括副边接收线圈L₂和副边补偿电容C₂；

所述耦合变压器包括原边信息注入耦合变压器T₁和副边信息提取耦合变压器T₂；

所述数据发送电路包括高频载波信号源u_c，电感L_p1、电容C_p1、电容C_p2、数据选择开关S₁；

所述数据接收电路包括信号提取电阻R_s，电感L_p2、电容C_s1、电容C_s2以及数据选择开关S₂；

所述解调单元包括带通滤波器模块、包络检波模块、低通滤波模块以及比较判决模块；

所述系统中电能与信息采用同一线圈作为传输通路，电能传输通路和信息传输通路通过耦合变压器相连，用于电能传输的主电路拓扑为S-P拓扑，用于数据发送和数据接收的电路采用对称相同的LCC谐振拓扑。

所述原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c1、原边发射线圈L1和原边补偿电容C₁串联连接；

所述副边接收线圈L₂和副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c3串联连接后与副边补偿电容C₂并联连接；

所述副边补偿电容C_2还和整流电路输入端相连接，整流电路的输出端连接负载R_L；

所述滤波电容C_d和负载R_L并联连接；

所述数据发送电路中，高频载波信号源u_c一端连接电感L_p1，高频载波信号源u_c另一端连接电容C_p1，电感L_p1的另一端和电容C_p1的另一端相连，电感L_p1的另一端还和数据选择开关S₁相连，数据选择开关S₁的另一端和原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2相连，原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2的另一端和电容C_p2相连，电容C_p2的另一端和电容C_p1相连；所述数据接收电路中，信号提取电阻R_s一端连接电感L_p2，另一端连接电容C_s1，电感L_p2的另一端和电容C_s1的另一端相连，电感L_p2的另一端还和数据选择开关S₂相连，数据选择开关S₂的另一端和副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4相连，副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4的另一端和电容C_s2相连，电容C_s2的另一端和电容C_s1相连。

所述交流源为供电电源，其基频频率为电能传输回路谐振频率f₀；将LCC具有的一个稳定谐振频率f₂和两个次稳定谐振频率f₁和f₃作为信息载波频率，且f₁<f₂<f₃；信息载波频率远远大于电能传输回路谐振频率。

所述数据接收电路中信号提取电阻两端的电压信号，再通过非相干解调方法实现信息解调。

基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法，其特征在于，所述方法为：

信息正向传输情况下，数据选择开关S₂保持闭合，在二进制数据信号为“00”时，数据选择开关S₁断开；在二进制数据信号为“01”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₁；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₂；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₃；信息反向传输情况下，数据选择开关S₁保持闭合，载波信号源的设置和信息正向传输情况下一致。

图2为对图1系统电能传输通路的等效电路，用于电能传输的主电路拓扑为S-P拓扑，交流源u_in为逆变器输出方波等效电压源，其基频频率为逆变器开关频率f₀，原边信息注入耦合电路可简化为串联电感L_c1，副边信息提取耦合电路可简化为串联电感L_c2，在传输线圈L₁和L₂设计完成后，根据谐振频率f₀选取补偿电容参数C₁和C₂，再根据系统传输功率和效率曲线选取负载电阻阻值。

图3为对图1系统信息传输通路的等效电路，载波信号源u_c采用DDS芯片AD9835输出，并通过放大器放大后生成，电感L_p1、L_p2的值以及信号提取电阻的阻值根据信号传输通路电压增益曲线来设计，选取令信号传输通路电压增益极点幅值最大的值。对信号提取电路两端的电压信号进行采样，并分别通过中心频率为f₁、f₂和f₃的带通滤波器，带通滤波器的输出信号再经过非相干解调，即可还原出数据信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，包括交流源、电能发射单元、电能接收单元、全桥整流电路、电阻负载、耦合变压器、数据发送电路、数据接收电路以及解调单元，其特征在于，

所述电能发射单元包括原边发射线圈L₁和原边补偿电容C₁；

所述电能接收单元包括副边接收线圈L₂和副边补偿电容C₂；

所述耦合变压器包括原边信息注入耦合变压器T₁和副边信息提取耦合变压器T₂；

所述数据发送电路包括高频载波信号源u_c，电感L_p1、电容C_p1、电容C_p2、数据选择开关S₁；

所述数据接收电路包括信号提取电阻R_s，电感L_p2、电容C_s1、电容C_s2以及数据选择开关S₂；

所述解调单元包括带通滤波器模块、包络检波模块、低通滤波模块以及比较判决模块；

所述系统中电能与信息采用同一线圈作为传输通路，电能传输通路和信息传输通路通过耦合变压器相连，用于电能传输的主电路拓扑为S-P拓扑，用于数据发送和数据接收的电路采用对称相同的LCC谐振拓扑。

2.根据权利要求1所述的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c1、原边发射线圈L1和原边补偿电容C₁串联连接；

所述副边接收线圈L2和副边信息提取耦合变压器T2的绕组Lc3串联连接后与副边补偿电容C₂并联连接；

所述副边补偿电容C₂还和整流电路输入端相连接，整流电路的输出端连接负载R_L；

所述滤波电容C_d和负载R_L并联连接。

3.根据权利要求1所述的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述数据发送电路中，高频载波信号源u_c一端连接电感L_p1，高频载波信号源u_c另一端连接电容C_p1，电感L_p1的另一端和电容C_p1的另一端相连，电感L_p1的另一端还和数据选择开关S₁相连，数据选择开关S₁的另一端和原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2相连，原边信息注入耦合变压器T₁的绕组L_c2的另一端和电容C_p2相连，电容C_p2的另一端和电容C_p1相连；所述数据接收电路中，信号提取电阻R_s一端连接电感L_p2，另一端连接电容C_s1，电感L_p2的另一端和电容C_s1的另一端相连，电感L_p2的另一端还和数据选择开关S₂相连，数据选择开关S₂的另一端和副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4相连，副边信息提取耦合变压器T₂的绕组L_c4的另一端和电容C_s2相连，电容C_s2的另一端和电容C_s1相连。

4.根据权利要求1所述的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述交流源为供电电源，其基频频率为电能传输回路谐振频率f₀；将LCC具有的一个稳定谐振频率f₂和两个次稳定谐振频率f₁和f₃作为信息载波频率，且f₁<f₂<f₃；信息载波频率远远大于电能传输回路谐振频率。

5.根据权利要求1所述的基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，采样所述数据接收电路中信号提取电阻两端的电压信号，再通过非相干解调方法实现信息解调。

6.基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输方法，包括权利要求1-5所述的任意基于多进制频移键控的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述方法为：

信息正向传输情况下，数据选择开关S₂保持闭合，在二进制数据信号为“00”时，数据选择开关S₁断开；在二进制数据信号为“01”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₁；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₂；在二进制数据信号为“10”时，数据选择开关S₁闭合，载波信号源u_c的频率为f₃；信息反向传输情况下，数据选择开关S₁保持闭合，载波信号源的设置和信息正向传输情况下一致。

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