CN116667547A - 一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，包括依次连接的高频逆变电路、轨道式LCC‑S电路和整流电路，所述轨道式LCC‑S电路包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈并联信号加载电路，所述接收线圈并联信号检波电路；所述信号加载电路通过电能传输耦合完成传递，并通过信号检波电路拾取并复原出数字信号。本发明增设信号加载电路及信号检波电路以及用于阻断高频载波进入谐振补偿电路的阻波电路，利用远高于能量谐振频率的独立载波进行信号调制；并在电能传输回路串接阻波电路，阻断高频载波流经谐振补偿电容，载波经信号加载电路注入系统后直接通过电能传输耦合机构完成传递，然后经信号检波电路拾取并复原出数字信号。
Description
技术领域
本发明涉及无接触供电系统技术领域，具体为一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统。
背景技术
在以电动汽车为主的大功率供电与半导体生产领域中，基于无限电能传输的轨道式无接触供电系统的应用极具发展前景；轨道式无接触供电系统利用磁谐振原理，在远距离传输时效率与功率较高，具有良好的性能。
在实际应用中，轨道式无接触供电系统是一个具有非线性多参数交叉效应的耦合系统，为大功率等级的多负载供电；在系统工作过程中，轨道发射端往往需要对应多个拾取器接收端，且拾取器跨轨变化，系统运行时温度、线圈互感变化、线圈磁芯老化程度等因素，均会对系统工作状态产生影响。目前得轨道式无接触供电系统中，拾取器跨轨带来的系统参数变化会降低系统性能与功率传输效率，对系统性能造成不利影响。因此不同控制模块之间的数据传输与同步协调是必不可少的，这就要求系统在实现电能传输的同时，还能够在能量发送端和拾取端之间完成实时的信号通信。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，可以解决现有的拾取器跨轨带来的系统参数变化会降低系统性能与功率传输效率，对系统性能造成不利影响问题。
为了实现上述目的，本发明是技术方案如下：
本发明是通过如下的技术方案来实现：一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，
包括依次连接的高频逆变电路、轨道式LCC-S电路和整流电路，所述轨道式LCC-S电路包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈并联信号加载电路，所述接收线圈并联信号检波电路；所述信号加载电路通过电能传输耦合完成传递，并通过信号检波电路拾取并复原出数字信号。
进一步的，所述信号加载电路包括电阻、电容和变压器，所述电阻、电容与变压器依次串联后与发射线圈并联。
进一步的，所述信号检波电路包括两组电容、两组电阻和一个变压器，其中一个电容的两端与电阻、变压器串联后与接收线圈并联；所述变压器还连接另一电阻，所述变压器与另一个电阻的连接线路上并联另一个电容。
进一步的，还包括两组阻波电路，两组所述阻波电路分别串联在轨道式LCC-S电路的发射部分和接收部分。
进一步的，所述阻波电路包括电容和线圈，所述电容和线圈连接。
进一步的，所述接收线圈缠绕在磁芯上，所述接收线圈连接电压及电感电流检测电路；通过接收线圈两端连接的电压及电感电流检测电路，测得电感值是否变化以完成磁芯老化测试。
进一步的，所述电压及电感电流检测电路包括电流表、电压表、电阻和电容，所述电压表并联接收线圈，所述电流表、电阻和电容分别串联所述接收线圈。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明增设信号传输回路，即信号加载电路及信号检波电路以及用于阻断高频载波进入谐振补偿电路的阻波电路，利用远高于能量谐振频率的独立载波进行信号调制。通过直接将信号加载电路和信号检波电路并联在电能传输耦合机构上，并在电能传输回路串接阻波电路，阻断高频载波流经谐振补偿电容，载波经信号加载电路注入系统后直接通过电能传输耦合机构完成传递，然后经信号检波电路拾取并复原出数字信号，整个传输过程不再经过电能传输的谐振补偿电容，避免了谐振补偿电容对高频载波的削弱；同时，阻波电路在电能频率下呈短路性质，而信号加载电路和信号检波电路呈高阻态，不影响电能传输性能，从而实现在不影响电能传输的情况下，完成信号传输。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
图1为本发明一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统的局部结构示意图；
图2为本发明实施例轨道式多负载无接触供电系统电路图；
图3为本发明实施例单轨道单拾取器轨道式无接触供电系统电路图；
图4为本发明实施例阻波电路的电路图；
图5为本发明实施例信号传输回路轮询通讯的流程图；
图6为本发明实施例磁芯的结构示意图；
图7为本发明实施例磁芯老化测试电路图。
图中标注说明：1、发射端轨道；2、接收端拾取器。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，轨道式无接触供电系统局部如图1所示，发射端轨道1对应多个接收端拾取器2，且工况复杂，有接收端拾取器2跨轨变化、多负载工作等多种工作状态；其中接收端拾取器2包括接收线圈和磁芯组成。
轨道式多负载无接触供电系统电路图如图2所示，包括轨道发射端以及n个拾取器接收端，示例性的，为了便于分析，简化模型，简化后的轨道式多负载无接触供电系统电路图如图3所示，为单轨道单拾取器轨道式无接触供电系统电路图；
轨道式无接触供电系统包括依次连接的高频逆变电路、轨道式LCC-S电路和整流电路；高频逆变电路、轨道式LCC-S电路和整流电路形成能量传输回路；
其中高频逆变电路包括四个逆变器开关MOSFET(场效管)分别为附图中的Q1、Q2、Q3、Q4；第一逆变器开关MOSFET(Q1)、第二逆变器开关MOSFET(Q2)相连，第三逆变器开关MOSFET(Q3)、第四逆变器开关MOSFET(Q4)相连，且第一逆变器开关MOSFET(Q1)与第三逆变器开关MOSFET(Q3)连接、第二逆变器开关MOSFET(Q2)、第四逆变器开关MOSFET(Q4)连接。
所述轨道式LCC-S电路包括发射部分和接收部分，其中发射部分包括发射线圈(Lp)、两个补偿电容(Cp和Cf)、两个电阻(Rf和Rp)、补偿线圈(Lf)；补偿线圈(Lf)、电阻(Rf)连接高频逆变电路，且补偿线圈(Lf)、补偿电容(Cp)、发射线圈(Lp)、电阻(Rp)、电阻(Rf)依次串联，补偿电容(Cf)的一端连接在补偿线圈(Lf)、补偿电容(Cp)连接线路上、另一端连接在电阻(Rp)、电阻(Rf)连接线路上。
接收部分包括接收线圈(Ls)、补偿电容(C2)、电阻(R2)，其中接收线圈(Ls)的一端连接补偿电容(C2)，所述接收线圈(Ls)的另一端连接电阻(R2)；
所述整流电路包括四个二极管(D1、D2、D3和D4)、电容(C0)以及电阻(Req)，其中连接关系如图3所示；
轨道式无接触供电系统还包括信号传输回路，信号传输回路包括信号加载电路和信号检波电路，利用远高于能量谐振频率fp的独立载波fc进行信号调制，fc＞＞fd，通过电能传输线圈实现信号的无线传输；信号传输回路具体的连接关系为，所述发射线圈并联信号加载电路，所述接收线圈并联信号检波电路；所述信号加载电路包括电阻(RTX)、电容(CTX)和变压器(T1)，所述电阻(RTX)、电容(CTX)与变压器(T1)依次串联后与发射线圈(Lp)并联。
所述信号检波电路包括两组电容(CRX和COS)、两组电阻(RRX和Reqs)和一个变压器(T2)，其中一个电容(CRX)两端和电阻(RRX)、变压器(T2)串联后与接收线圈(Ls)并联；所述变压器(T2)还连接另一电阻(Reqs)，所述变压器(T2)与另一个电阻(Reqs)的连接线路上并联另一个电容(COS)；所述信号加载电路通过电能传输耦合完成传递，并通过信号检波电路拾取并复原出数字信号。
为了阻断高频载波进入谐振补偿电路，削弱信号与能量之间的相互影响，在信号传输回路及能量传输通道的发射端、接收端均增设阻波电路；所述阻波电路的电路图如图4所示，所述阻波电路包括电容(Cb)和线圈(Lb)，所述电容(Cb)和线圈(Lb)连接；示例性的，其中的所述阻波电路设有两个，其中一个连接在发射端的电阻(Rf)和电阻(Rp)之间的连接线路上；另一个阻波电路连接在接收端的电阻(R2)和接收线圈(Ls)之间的连接线路上。
轨道式无接触供电系统是一个具有非线性多参数交叉效应的耦合系统，为大功率等级的多负载供电，轨道发射端对应多个拾取器接收端。为保证多个拾取器同时稳定工作，本公开基于信号传输回路，实现轮询通讯，其工作流程如图5。其控制流程为，由轨道发射端定时发出询问，依序询问每一个拾取器的工作状态，如有需要则改变其工作状态，结束后再问下一拾取器，接着不断周而复始，实现发射端对于接收端的控制功能。
在基于载波通讯实现的轨道式无接触供电能量信号并行传输系统工作过程中，温度T、线圈互感M的变化，以及故障的发生都会对系统运行产生影响。过高的温度会加速磁芯老化，互感变化有可能引起系统传输效率及功率的下降，故障的发生会引起系统运行崩溃。为了提高系统的整体性能，实现系统的状态监测、负载与故障检测，都不可避免地需要在发射端和接收端进行数据传输。本公开在LCC-S补偿拓扑的轨道式无接触供电系统的电路结构基础上，增设信号传输回路，即信号加载电路及信号检波电路如图3。将本系统注入远高于能量谐振频率的独立载波进行信号调制，通过电能传输线圈实现信号的无线传输。因此，当电能传输通道工况发生变化或检测出故障时，接收端通过信号传递通道将该变化反馈至接收端，实现了信息同步与实时监控。
轨道式无接触供电系统为了提高电能传输线圈的传输效率，往往会使用磁芯结构，如图6，即将接收线圈缠绕在磁芯外部。当磁芯长期使用或者暴露于高温一段时间后，磁芯损耗显著增大。磁芯损耗增大导致效率性能降低，即自身电感值下降，和自热增加，反过来又更进一步使损耗增大，如此循环；最糟糕的情况是，如果未加控制，此循环会造成严重的热失控。因此，出于安全的考虑，且为了保证系统的整体性能，对于磁芯老化程度的测试尤为重要。然而电能传输回路功率过大，电路电感两端电压过大，不利于检测。增设的信号传输回来功率远远低于能量传输回路，约为几十瓦，因此通过检测的信号传输回路感应接收线圈两端电压及电感电流，测得电感值是否变化，完成磁芯老化测试。依据公式：
其中，j代表虚部，w为系统角频率，ls为接收端感应线圈电感值，为信号回路接收端线圈两端电压值，Is为信号回路接收端线圈流出的电流值。图7为磁芯老化测试电路原理图，所述接收线圈(Ls)缠绕在磁芯上，所述接收线圈(Ls)连接电压及电感电流检测电路；通过接收线圈(Ls)两端电压及电感电流检测电路，测得电感值是否变化以完成磁芯老化测试；所述电压及电感电流检测电路包括电流表(A)、电压表(V)、电阻(Rrx)和电容(Crx)，所述电压表(V)并联接收线圈(Ls)，所述电流表(A)、电阻(Rrx)和电容(Crx)分别串联所述接收线圈(Ls)；将信号传输回路负载端变压器作用于回路的值设置为EeqS。通过上述方式，判断磁芯是否仍符合谐振工作条件；
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：
包括依次连接的高频逆变电路、轨道式LCC-S电路和整流电路，所述轨道式LCC-S电路包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈并联信号加载电路，所述接收线圈并联信号检波电路；所述信号加载电路通过电能传输耦合完成传递，并通过信号检波电路拾取并复原出数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：所述信号加载电路包括电阻、电容和变压器，所述电阻、电容与变压器依次串联后与发射线圈并联。
3.根据权利要求1所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：所述信号检波电路包括两组电容、两组电阻和一个变压器，其中一个电容的两端与电阻、变压器串联后与接收线圈并联；所述变压器还连接另一电阻，所述变压器与另一个电阻的连接线路上并联另一个电容。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：还包括两组阻波电路，两组所述阻波电路分别串联在轨道式LCC-S电路的发射部分和接收部分。
5.根据权利要求4所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：所述阻波电路包括电容和线圈，所述电容和线圈连接。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：所述接收线圈缠绕在磁芯上，所述接收线圈连接电压及电感电流检测电路；通过接收线圈两端连接的电压及电感电流检测电路，测得电感值是否变化以完成磁芯老化测试。
7.根据权利要求6所述的一种能量信号并行传输的轨道式无接触供电系统，其特征在于：所述电压及电感电流检测电路包括电流表、电压表、电阻和电容，所述电压表并联接收线圈，所述电流表、电阻和电容分别串联所述接收线圈。
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