CN115241987A - 基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线能量信号同传技术领域，具体公开了一种基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，包括能量信号同传耦合机构，能量信号同传耦合机构包括一次侧结构和二次侧结构，一次侧结构包括由底向上层级设置的原边金属屏蔽板、原边磁芯、能量发射线圈，二次侧结构包括由底向上层级设置的能量接收线圈、副边磁芯、副边金属屏蔽板。原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板用于在第二电流频率下传输信号。本发明采用屏蔽铝板作为电场耦合的一对极板，与传统的双电容极板相比，这种设置减少了极板的数量，大大降低了设备的成本、重量和体积。在大功率传输过程中，数据传输通道几乎不受干扰，能在大功率传输的磁场环境下稳定地传输信号。

Description

基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统
技术领域
本发明涉及无线能量信号同传技术领域，尤其涉及基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统。
背景技术
无线电力传输(WPT)在为电动汽车(EVs)、消费电子、工业现场设备、水下设备和植入式医疗设备等供电方面具有独特的优势。因此，它显示了广泛的应用前景和巨大的商业价值。由于其电力传输不需要直接接触，因此具有安全、可靠、整洁美观、方便易行等优点。对于大多数应用，如输出电压反馈控制、负载监测、两侧同步协调等。通常需要在一次侧和二次侧之间进行可靠和即时的数据通信以提高系统性能。在WPT应用中，传统的无线通信技术，如蓝牙、Wi-Fi、射频(RF)链接等，通常可用于无线数据传输。但这些技术需要复杂的配对，而且系统成本很高。最近的研究表明，无线数据传输可以在现有的电力传输通道上实现。这种电力和数据的平行传输更加直接和经济。为了实现高效、可靠的无线数据传输，主要考虑两个方面的问题：(1)信号传输不受功率传输的干扰；(2)信号传输时的功率水平。
发明内容
本发明提供一种基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，解决的技术问题在于：如何在现有的电力传输通道上实现信号传输且使信号传输不受功率传输的干扰，还能保持较高的功率水平。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，包括能量信号同传耦合机构，所述能量信号同传耦合机构包括一次侧结构和二次侧结构，所述一次侧结构包括由底向上层级设置的原边金属屏蔽板、原边磁芯、能量发射线圈，所述二次侧结构包括由底向上层级设置的能量接收线圈、副边磁芯、副边金属屏蔽板；
所述能量发射线圈与所述能量接收线圈用于在第一电流频率下传输能量，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板用于在第二电流频率下传输信号。
具体的，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板采用相同的单电容铝板。
具体的，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈均为方形环状结构，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板均为方形平板。
具体的，该系统还包括连接所述能量发射线圈的LCC谐振网络，其中所述LCC谐振网络中的补偿电感集成在所述能量发射线圈中心位置的方形空隙中，所述补偿电感采用DD型线圈。
具体的，所述第一电流频率为kHz级，所述第二电流频率为MHz级。
具体的，该系统包括所述能量发射线圈与所述能量接收线圈所在的能量传输通道，以及所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板所在的信号传输通道，所述信号传输通道用于将所述能量传输通道的输出电压传输至所述能量传输通道中的原边控制器，从而所述原边控制器根据所述输出电压闭环控制所述能量传输通道中的原边高频逆变器。
具体的，所述输出电压的表达式为
Figure BDA0003760466340000021
其中MP为所述能量发射线圈与所述能量接收线圈之间的互感，Udc为所述能量传输通道中的输入直流电压，δ为所述高频逆变器的导通角，LT为所述补偿电感的自感。
具体的，该系统应用于船舶岸电无线充电中，所述能量传输通道中的输入直流电压预设有N种级别的预设直流电源，N≥2；
在启动所述能量传输通道进行电能传输之前，船舶侧通过所述信号传输通道向岸基侧发送电压需求，所述岸基侧根据所述电压需求决定所述输入直流电压的等级以及所述高频逆变器的导通角；
在所述能量传输通道进行电能传输的过程中，所述船舶侧实时向所述岸基侧发送所述输出电压，所述岸基侧根据所述输出电压及所述电压需求实时调整所述高频逆变器的导通角。
优选的，所述能量发射线圈由6000股直径为1.5厘米的利兹线绕制5匝而成，所述能量接收线圈由3000股直径为1厘米的利兹线绕制5匝而成，所述补偿电感由3000股直径为1厘米的利兹线绕制6匝而成。
优选的，所述第一电流频率为85kHz，所述第二电流频率为9.36MHz。
本发明提供的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，采用能量传输线圈与能量接收线圈的屏蔽铝板作为电场耦合的一对极板，与传统的双电容极板相比，这种设置减少了极板的数量，大大降低了设备的成本、重量和体积，用来传输数据的单电容极板的电场耦合方式可以避免双电容极板之间的交叉耦合，使数据传输更加可靠和稳定。在大功率传输过程中，数据传输通道几乎不受干扰，能在大功率传输的磁场环境下稳定地传输信号。
附图说明
图1是本发明实施例提供的能量信号同传耦合机构的层级结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供一种基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，如图1所示，包括能量信号同传耦合机构，能量信号同传耦合机构包括一次侧结构和二次侧结构，一次侧结构包括由底向上层级设置的原边金属屏蔽板、原边磁芯、能量发射线圈，二次侧结构包括由底向上层级设置的能量接收线圈、副边磁芯、副边金属屏蔽板。本实施例优选的，原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板采用相同的单电容铝板。能量发射线圈与能量接收线圈均为方形环状结构，原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板均为方形平板。
能量发射线圈与能量接收线圈用于在第一电流频率下传输能量，原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板用于在第二电流频率下传输信号。
图2为本实施例提供的一种基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统的电路原理图，该系统包括能量发射线圈与能量接收线圈所在的能量传输通道，以及原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板所在的信号传输通道，信号传输通道用于将能量传输通道的输出电压传输至能量传输通道中的原边控制器，从而原边控制器根据输出电压闭环控制能量传输通道中的原边高频逆变器。
具体的，该系统还包括连接能量发射线圈的LCC谐振网络，其中LCC谐振网络中的补偿电感集成在能量发射线圈中心位置的方形空隙中，补偿电感采用DD型线圈，如图1所示。
为了使两个通道的传输互不影响，第一电流频率为kHz级，第二电流频率为MHz级。频率差异巨大，再使用一个特定的滤波器，经过调制和解调后，功率传输通道和数据传输通道之间几乎没有干扰。
在图2中，在能量传输通道中，Udc为输入直流电压，MOSFETQ1～Q4组成了高频逆变器，LT、LP、LS分别为补偿电感、能量发射线圈、能量接收线圈的自感，MP为能量发射线圈与能量接收线圈之间的互感，CT、CP为LCC-S谐振网络中的电容，二极管D1～D4组成整流电路，Cd为滤波电容，RL为负载。
在图2中，在信号传输通道中，Cps即为原边金属屏蔽板与副边金属屏蔽板所构成的电容，AC1则代表二次侧的信号源。
补偿电容CT,CP,CS之间的数学关系如下所示：
Figure BDA0003760466340000051
功率传输的工作角频率可以用2πfP来计算，ωP表示对应谐振回路的谐振频率，fP为系统工作频率。本实施例使用移相调制(PSM)来控制逆变器，相位形式的基本输出电压可以表示为：
Figure BDA0003760466340000052
其中δ是高频逆变器的导通角。
通过使用功率传输通道中的基尔霍夫电压定律(KVL)，并基于整流器的输入和输出电压之间的关系，可以得出以下公式：
Figure BDA0003760466340000053
Figure BDA0003760466340000054
通过上述公式计算可以得到输出电压UL的表达式：
Figure BDA0003760466340000055
从而信号传输通道将能量传输通道的输出电压传输至能量传输通道中的原边控制器，从而原边控制器根据输出电压闭环控制能量传输通道中的原边高频逆变器。
作为一种具体应用，该系统应用于船舶岸电无线充电中，为满足不同的充电需求，能量传输通道中的输入直流电压预设有N种级别的预设直流电源，N≥2；
在启动能量传输通道进行电能传输之前，船舶侧通过信号传输通道向岸基侧发送电压需求，岸基侧根据电压需求决定输入直流电压的等级以及高频逆变器的导通角；
在能量传输通道进行电能传输的过程中，船舶侧实时向岸基侧发送输出电压，岸基侧根据输出电压及电压需求实时调整高频逆变器的导通角。
线圈的设计和制造是完全对称的，因此，同一侧的线圈之间的耦合，即LT、和LP之间的耦合可以被忽略。两个磁屏蔽板的边长为90cm，能量发射线圈LP的尺寸为80cm*80cm。由于LT被设计成DD线圈，LS或LP产生的净磁通不会穿透LT，而且LP和LT之间的互感几乎为零。电力传输使用的电流为85khz，而数据传输使用的电流为9.36Mhz。
本实施例使用6000股直径为1.5厘米的利兹线线来构建用于电力传输的初级线圈(Lp)。用于功率传输的二次侧线圈(Ls)是用3000股直径为1厘米的利兹线构建的。一次侧补偿电感(LT)是用3000股直径为1厘米的利兹线构建的。为了减少二次侧的线圈电流，二次侧用两根平行线绕制。为了减少初级侧整体结构的体积，补偿电感被集成到初级侧线圈中。初级和次级线圈的匝数为5匝。集成电感线圈的匝数为6匝，铁氧体厚度为1厘米。
系统的运行结果表明，在能量传输的同时，可以使用能量传输本身的屏蔽极板传输信号，通过信号的传递，可以对系统的功率部分进行闭环控制。
综上，本发明实施例提供的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，采用能量传输线圈与能量接收线圈的屏蔽铝板作为电场耦合的一对极板，与传统的双电容极板相比，这种设置减少了极板的数量，大大降低了设备的成本、重量和体积，用来传输数据的单电容极板的电场耦合方式可以避免双电容极板之间的交叉耦合，使数据传输更加可靠和稳定。在大功率传输过程中，数据传输通道几乎不受干扰，能在大功率传输的磁场环境下稳定地传输信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，包括能量信号同传耦合机构，所述能量信号同传耦合机构包括一次侧结构和二次侧结构，所述一次侧结构包括由底向上层级设置的原边金属屏蔽板、原边磁芯、能量发射线圈，所述二次侧结构包括由底向上层级设置的能量接收线圈、副边磁芯、副边金属屏蔽板；
所述能量发射线圈与所述能量接收线圈用于在第一电流频率下传输能量，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板用于在第二电流频率下传输信号。
2.根据权利要求1所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板采用相同的单电容铝板。
3.根据权利要求2所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于：
所述能量发射线圈与所述能量接收线圈均为方形环状结构，所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板均为方形平板。
4.根据权利要求3所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于：该系统还包括连接所述能量发射线圈的LCC谐振网络，其中所述LCC谐振网络中的补偿电感集成在所述能量发射线圈中心位置的方形空隙中，所述补偿电感采用DD型线圈。
5.根据权利要求4所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于：所述第一电流频率为kHz级，所述第二电流频率为MHz级。
6.根据权利要求5所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，该系统包括所述能量发射线圈与所述能量接收线圈所在的能量传输通道，以及所述原边金属屏蔽板与所述副边金属屏蔽板所在的信号传输通道，所述信号传输通道用于将所述能量传输通道的输出电压传输至所述能量传输通道中的原边控制器，从而所述原边控制器根据所述输出电压闭环控制所述能量传输通道中的原边高频逆变器。
7.根据权利要求6所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，所述输出电压的表达式为
Figure FDA0003760466330000021
其中MP为所述能量发射线圈与所述能量接收线圈之间的互感，Udc为所述能量传输通道中的输入直流电压，δ为所述高频逆变器的导通角，LT为所述补偿电感的自感。
8.根据权利要求7所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，该系统应用于船舶岸电无线充电中，所述能量传输通道中的输入直流电压预设有N种级别的预设直流电源，N≥2；
在启动所述能量传输通道进行电能传输之前，船舶侧通过所述信号传输通道向岸基侧发送电压需求，所述岸基侧根据所述电压需求决定所述输入直流电压的等级以及所述高频逆变器的导通角；
在所述能量传输通道进行电能传输的过程中，所述船舶侧实时向所述岸基侧发送所述输出电压，所述岸基侧根据所述输出电压及所述电压需求实时调整所述高频逆变器的导通角。
9.根据权利要求4～8任一项所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，所述能量发射线圈由6000股直径为1.5厘米的利兹线绕制5匝而成，所述能量接收线圈由3000股直径为1厘米的利兹线绕制5匝而成，所述补偿电感由3000股直径为1厘米的利兹线绕制6匝而成。
10.根据权利要求9所述的基于屏蔽板传输信号的能量信号同步传输系统，其特征在于，所述第一电流频率为85kHz，所述第二电流频率为9.36MHz。
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