CN114696477A - 一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置。所述能量发射端配合能量接收端使用;所述直流电源与逆变电路相连接,所述逆变电路分别与控制电路和补偿电路相连接,所述补偿电路与能量发射线圈相连接;所述能量接收线圈与补偿电容C3相连接,所述补偿电容C3与整流滤波电路相连接,所述整流滤波电路与电压传感器相连接,所述电压传感器与电流传感器相连接,所述电流传感器与负载相连接;所述信息发射端配合信息接收端使用;所述外围处理电路与信息发射线圈相连接;所述外围处理电路与信息接收线圈相连接。本发明为了解决现有无线电能传输系统中能量对信息传输造成的干扰大,传输功率小,信息传输速率低等问题。

Description

一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置
技术领域
本发明属于无线电能传输领域;具体涉及一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置。
背景技术
无线电能传输技术摆脱了传统的导线连接,在生物医学、水下作业等领域有明显的技术优势,其未来发展空间非常广阔。在实际工程应用中,由于负载状况以及环境工况的改变,大多数无线电能传输装置在实现电能传输同时,还需要进行信息传输以实现输出电压反馈控制、负载检测、状态监控、多控制器同步等功能。
目前有两种电能信息并行传输方式:分离通道传输和共享通道传输。共享通道传输方式在耦合机构上并存着能量波和信号波,能量谐振电路的滤波特性(串型的带通特性,并型的带阻特性)会削弱信号载波,而且随着电能传输回路电流的提高,信号发送和接收变压器的承压增加,甚至出现信号载波被电能干扰淹没的现象,增加了系统设计复杂难度。此外,共享通道传输方式通常添加高频阻波器以阻止信号进入能量传输回路,会造成能量传输效率的降低,该通信技术只适用于低功率能量传输。分离通道传输中能量传输线圈和信息传输线圈在物理结构上相互独立,使得能量传输通道与信号传输通道在空间上相互隔离。理想状态下,能量传输通道只实现传能功能,信号传输通道只实现通信功能。但实际中信息发射侧与信息接收侧间的相对位置很难保持恒定,特别是在动态无线供电系统中,将导致能量线圈与信息线圈间的交叉耦合增大,对后级信息解调电路提出了较高的要求,不利于无线电能信息同步传输的发展和普及。
发明内容
本发明提出一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置,是为了解决现有无线电能传输系统中能量对信息传输造成的干扰大,传输功率小,信息传输速率低等问题;在实现电能信息同步高效传输的基础上,具备能量线圈和信息线圈间的强偏移解耦性。
本发明通过以下技术方案实现:
一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置,所述无线电能信息同步传输装置包括能量传输装置和信息传输装置;所述能量传输装置包含能量发射端和能量接收端,所述能量发射端配合能量接收端使用;
所述能量发射端包括直流电源、逆变电路、控制电路、补偿电路和能量发射线圈1,所述直流电源与逆变电路相连接,所述逆变电路分别与控制电路和补偿电路相连接,所述补偿电路与能量发射线圈1相连接;
所述能量接收端包括能量接收线圈3、补偿电容C3、整流滤波电路、电压传感器、电流传感器和负载,所述能量接收线圈3与补偿电容C3相连接,所述补偿电容C3与整流滤波电路相连接,所述整流滤波电路与电压传感器相连接,所述电压传感器与电流传感器相连接,所述电流传感器与负载相连接;
所述信息传输装置包含信息发射端和信息接收端,所述信息发射端配合信息接收端使用;
所述信息发射端包括外围处理电路和信息发射线圈2,所述外围处理电路与信息发射线圈2相连接;
所述信息接收端包括外围处理电路和信息接收线圈4,所述外围处理电路与信息接收线圈4相连接。
进一步的,所述能量发射线圈1和能量接收线圈3结构对称;所述信息发射线圈2和信息接收线圈4结构对称。
进一步的,所述逆变电源通过补偿电路为能量发射线圈1提供高频交流电,激发出高频交变磁场,能量接收线圈3与该高频交变磁场发生谐振,产生感应电动势,为后续负载供电。
进一步的,所述补偿电路包括电感Lp1、电容Cp1和电容Cp2,所述电感Lp1与电容Cp1并联谐振,所述电容Cp2、电容Cp1与能量发射线圈1谐振。
进一步的,所述能量发射线圈1和能量接收线圈3均为平面圆形线圈。
进一步的,所述信息发射线圈2分别由4个方形线圈Coil1、Coil2、Coil3和Coil4串联构成,2个相邻方形线圈电流方向相反;
进一步的,所述方形线圈Coil1和方形线圈Coil2组成2D线圈1;
所述方形线圈Coil3和方形线圈Coil4组成2D线圈2;
所述方形线圈Coil1和Coil4组成2D线圈3;
所述方形线圈Coil2和Coil3组成2D线圈4。
进一步的,所述信息发射线圈2与能量接收线圈3共面设置;
所述信息接收线圈4与能量发射线圈1共面设置。
进一步的,所述能量接收线圈3与电容C3串联后连接整流滤波电路的输入端,整流滤波电路的输出端连接负载。
进一步的,所述能量发射线圈1和/或能量接收线圈3处设有磁芯。
本发明的有益效果是:
1、本发明减小甚至消除了电能与信息传输之间的干扰,提升了当发射侧和接收侧相对位置变化时功率传输和信息传输的稳定性,大大拓展了无线供电技术的应用前景。
2、本发明能量线圈与信息线圈共面放置,不占用额外的空间。
3、本发明能量线圈与信息线圈间具有强偏移解耦性,提升了装置的灵活性。
4、本发明可实现大功率高速率电能信息同步传输。
5、本发明在收发侧相对位置偏移的情况下,实现信息的可靠性传输。
附图说明
图1是本发明能量传输装置的电路原理图。
图2是本发明信息传输装置的电路原理图。
图3是本发明具体实施例一信息发射线圈和信息接收线圈的电流方向示意图。
图4是本发明具体实施例一信息发射线圈和能量发射线圈间的异侧交叉耦合互感,其中,(a)为偏移方向示意图,(b)为X轴方向偏移的异侧交叉耦合互感,(c)为Y轴方向偏移的异侧交叉耦合互感。
图5是具体实施例一不同信息线圈与能量线圈间偏移互感曲线,其中,(a)DD信息线圈,(b)串联2DD信息线圈,(c)DD信息线圈与能量线圈间交叉耦合系数随偏移变化曲线,(d)串联2DD信息线圈与能量线圈间交叉耦合系数随偏移变化曲线,(e)本发明信息线圈与能量线圈间交叉耦合系数随偏移变化曲线。
图6是具体实施例一电能信息同步传输电路仿真图。
图7是具体实施例一电能信息同步传输电路仿真结果,其中,(a)电能输出,(b)信息输出。
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做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。
实施例1
如图1-2所示,一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置,所述无线电能信息同步传输装置包括能量传输装置和信息传输装置;所述能量传输装置包含能量发射端和能量接收端,所述能量发射端配合能量接收端使用;
所述能量发射端包括直流电源、逆变电路、控制电路、补偿电路和能量发射线圈1,所述直流电源与逆变电路相连接,所述逆变电路分别与控制电路和补偿电路相连接,所述补偿电路与能量发射线圈1相连接;
所述能量接收端包括能量接收线圈3、补偿电容C3、整流滤波电路、电压传感器、电流传感器和负载,所述能量接收线圈3与补偿电容C3相连接,所述补偿电容C3与整流滤波电路相连接,所述整流滤波电路与电压传感器相连接,所述电压传感器与电流传感器相连接,所述电流传感器与负载相连接;
所述信息传输装置包含信息发射端和信息接收端,所述信息发射端配合信息接收端使用;
所述信息发射端包括外围处理电路和信息发射线圈2,所述外围处理电路与信息发射线圈2相连接;
所述信息接收端包括外围处理电路和信息接收线圈4,所述外围处理电路与信息接收线圈4相连接。
进一步的,所述能量发射线圈1和能量接收线圈3结构对称;所述信息发射线圈2和信息接收线圈4结构对称。
进一步的,所述逆变电源通过补偿电路为能量发射线圈1提供高频交流电,激发出高频交变磁场,能量接收线圈3与该高频交变磁场发生谐振,产生感应电动势,为后续负载供电。
进一步的,所述补偿电路包括电感Lp1、电容Cp1和电容Cp2,所述电感Lp1与电容Cp1并联谐振,所述电容Cp2、电容Cp1与能量发射线圈1谐振。
进一步的,所述能量发射线圈1和能量接收线圈3均为平面圆形线圈。
进一步的,如图3所示,所述信息发射线圈2分别由4个方形线圈Coil1、Coil2、Coil3和Coil4串联构成,2个相邻方形线圈电流方向相反;
所述信息发射线圈2与信息接收线圈4结构相同。
进一步的,所述方形线圈Coil1和方形线圈Coil2组成2D线圈1;
所述方形线圈Coil3和方形线圈Coil4组成2D线圈2;
所述方形线圈Coil1和Coil4组成2D线圈3;
所述方形线圈Coil2和Coil3组成2D线圈4。
进一步的,所述信息发射线圈2与能量接收线圈3共面设置;
所述信息接收线圈4与能量发射线圈1共面设置。
进一步的,所述能量接收线圈3与电容C3串联后连接整流滤波电路的输入端,整流滤波电路的输出端连接负载。
能量接收线圈3侧的电信号传感器用于测量整流滤波电路输出的电流值或电压值,测量到的电流值或电压值经过外围处理电路的处理作为信息发射线圈2的输入信号,信号经磁耦合传递至信息接收线圈4,信息接收线圈4的输出信号经外围处理电路作为逆变控制电路的输入信号,用于控制逆变电路的导通角向负载输出设定的电压值。
进一步的,所述能量发射线圈1和/或能量接收线圈3处设有磁芯。
实施例2
为保证电能传输的有效性和安全性,在电能传输的同时装置常常需要具备信息传输。双耦合磁通信技术通过增加一对通信线圈用以传输信息,但信号线圈与能量线圈间存在交叉耦合,对通信传输造成较大的干扰,特别是能量传输功率较大时,通信系统的误码率会大大增大。此外,实际装置中发射侧与接收侧间的相对位置很难保持恒定,造成交叉耦合的增加。本实施案例提出的信息发射线圈2和信息接收线圈4分别由2个2D线圈构成,每个2D线圈与能量接收线圈3和能量发射线圈1间的耦合大小相等,极性相反,信息线圈与能量线圈正交解耦。进一步地,在X轴方向偏移时,方形线圈Coil1和方形线圈Coil2、方形线圈Coil3和方形线圈Coil4分别组成2D线圈1和2D线圈2,与能量线圈间的耦合相互抵消。在Y轴方向偏移时,方形线圈Coil1和方形线圈Coil4、方形线圈Coil2和方形线圈Coil3分别组成2D线圈3和2D线圈4,与能量线圈间的耦合相互抵消。由于这种解耦性,能量线圈和信息线圈间的净交叉耦合为0。因此,能量对信息传输无干扰。
为进一步验证本发明的可行性与有效性,基于Ansoft Maxwell仿真软件建立仿真模型,最大迭代次数为10,误差要求为3%,每次迭代加密剖分单元比例为30%,非线性残差为0.001。线圈仿真参数如表1所示。
表1线圈参数
Figure BDA0002860521350000051
通常装置在安装前,同一侧的多个线圈的相对位置已经固定,此外,由于装置具有对称性,下面只对信息发射线圈2和能量发射线圈1间的异侧交叉耦合进行分析,应当指出信息接收线圈4和能量接收线圈3间的耦合特性与信息发射线圈2和能量发射线圈1间的耦合特性相同。同侧能量线圈和信息线圈间的互感如表2所示。X轴方向和Y轴方向偏移时,信息发射线圈2和能量发射线圈1间的互感如图4所示。
表2同侧交叉耦合互感
Figure BDA0002860521350000052
由表2可以看出:方形线圈不同组合方式下分别形成的两个2D与能量发射线圈1之间的耦合大小相等,极性相反,净耦合为0,验证本发明所提的装置能够消除同侧能量线圈和信息线圈间的交叉耦合。由图4(a)可以看出:在X方向偏移时,方形线圈Coil1和方形线圈Coil2、方形线圈Coil3和方形线圈Coil4分别组成2D线圈1和2D线圈2,与能量发射线圈1间的耦合相互抵消;由图4(b)可以看出:在Y方向偏移时,方形线圈Coil1和方形线圈Coil4、方形线圈Coil2和方形线圈Coil3分别组成2D线圈3和2D线圈4,与能量发射线圈1间的耦合相互抵消,验证本发明所提的装置能够消除异侧能量线圈和信息线圈间的交叉耦合。进一步地,对现有研究中的DD信息线圈及串联2DD信息线圈的偏移解耦特性与本发明进行对比,结果如图5所示。其中,不同信息线圈结构中的能量线圈结构相同,信息线圈线径、匝数及外径形同。由图5可以看出,在较大偏移范围内(-50mm<X<50mm,-50mm<Y<50mm),本发明所提的装置能量线圈和信息线圈间的交叉耦合不变,几乎为零,具有很好的解耦偏移适应性。
为进一步验证本发明的可行性与有效性,以表1中的线圈参数在pspics仿真软件中进行电能与信息同步传输验证,电路原理图如图6所示,信息输出取自信息接收线圈4补偿电容上的电压,此时发射侧和接收侧的轴向距离为200mm(Z轴方向),在X方向上的偏移距离为50mm,负载电阻为30欧姆,电能输出和信息输出结果如图7所示。
由图7可以看出:在不添加额外滤波电路和阻波器的条件下,本发明所提装置实现了电能和信息的同步传输,在传输3.3kW功率的同时,实现了50kbps的信息传输,且信息传输不受电能的干扰。

Claims (10)

1.一种具有强解耦偏移适应性的无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述无线电能信息同步传输装置包括能量传输装置和信息传输装置;所述能量传输装置包含能量发射端和能量接收端,所述能量发射端配合能量接收端使用;
所述能量发射端包括直流电源、逆变电路、控制电路、补偿电路和能量发射线圈(1),所述直流电源与逆变电路相连接,所述逆变电路分别与控制电路和补偿电路相连接,所述补偿电路与能量发射线圈(1)相连接;
所述能量接收端包括能量接收线圈(3)、补偿电容C3、整流滤波电路、电压传感器、电流传感器和负载,所述能量接收线圈(3)与补偿电容C3相连接,所述补偿电容C3与整流滤波电路相连接,所述整流滤波电路与电压传感器相连接,所述电压传感器与电流传感器相连接,所述电流传感器与负载相连接;
所述信息传输装置包含信息发射端和信息接收端,所述信息发射端配合信息接收端使用;
所述信息发射端包括外围处理电路和信息发射线圈(2),所述外围处理电路与信息发射线圈(2)相连接;
所述信息接收端包括外围处理电路和信息接收线圈(4),所述外围处理电路与信息接收线圈(4)相连接。
2.根据权利要求1所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述能量发射线圈(1)和能量接收线圈(3)结构对称;所述信息发射线圈(2)和信息接收线圈(4)结构对称。
3.根据权利要求1或2所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述逆变电源通过补偿电路为能量发射线圈(1)提供高频交流电,激发出高频交变磁场,能量接收线圈(3)与该高频交变磁场发生谐振,产生感应电动势,为后续负载供电。
4.根据权利要求1或2所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述补偿电路包括电感Lp1、电容Cp1和电容Cp2,所述电感Lp1与电容Cp1并联谐振,所述电容Cp2、电容Cp1与能量发射线圈(1)谐振。
5.根据权利要求2所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述能量发射线圈(1)和能量接收线圈(3)均为平面圆形线圈。
6.根据权利要求1所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述信息发射线圈(2)分别由4个方形线圈Coil1、Coil2、Coil3和Coil4串联构成,2个相邻方形线圈电流方向相反
7.根据权利要求6所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述方形线圈Coil1和方形线圈Coil2组成2D线圈1;
所述方形线圈Coil3和方形线圈Coil4组成2D线圈2;
所述方形线圈Coil1和Coil4组成2D线圈3;
所述方形线圈Coil2和Coil3组成2D线圈4。
8.根据权利要求1所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述信息发射线圈(2)与能量接收线圈(3)共面设置;
所述信息接收线圈(4)与能量发射线圈(1)共面设置。
9.根据权利要求1所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述能量接收线圈(3)与电容C3串联后连接整流滤波电路的输入端,整流滤波电路的输出端连接负载。
10.根据权利要求2所述无线电能信息同步传输装置,其特征在于,所述能量发射线圈(1)和/或能量接收线圈(3)处设有磁芯。
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