一種非接觸電能及雙向信號傳輸系統的制作方法

本實用新型屬于感應耦合電能和信號傳輸技術領域，具體涉及一種非接觸電能及雙向信號傳輸系統。

背景技術：

感應耦合電能傳輸技術是一種基于高頻電磁場近場耦合原理實現電能近距離非接觸傳輸的技術。目前，在家電、石油鉆井、植入醫療設備、電動汽車充電等領域得到了越來越廣泛的應用。

在許多應用場景下，往往需要電能與通信信號的同步傳輸，電能為受電單元提供能量，信號通信則用于傳遞控制指令、狀態信息、傳感器測量數值等。目前大量應用方式是，將電能傳輸和信號傳輸分別通過不同的電磁線圈結構傳輸，造成機械尺寸和重量過大、電磁輻射高、自身功耗高的問題。

另外，在現有技術中，雖然有些研究者已經嘗試將電能與信號進行同步傳輸，且實現了信號的單向傳輸，不過其存在應用范圍窄的缺點(大量應用場景下需要雙向通信，例如石油鉆井、汽車充電、家電充電等等)。

技術實現要素：

針對上述問題，本實用新型提供一種非接觸電能及雙向信號傳輸系統。所述傳輸系統應用于非接觸電能和信號傳輸中，能夠利用一組電磁線圈同時完成電能和信號的傳輸，且信號為雙向傳輸。

本實用新型是通過以下技術方案實現的：

一種非接觸電能及雙向信號的傳輸系統，所述系統包括初級回路和次級回路；所述初級回路和所述次級回路感應耦合且沒有直接的電氣連接；

所述初級回路包括電源、高頻逆變器、初級諧振補償電路、發射線圈、第一控制器、第一信號解調模塊和第一信號調制模塊，其中，所述電源、所述高頻逆變器、所述初級諧振補償電路和所述發射線圈依次電連接；所述次級回路包括用電設備、電能轉換器、次級諧振補償電路、接收線圈、第二控制器、第二信號解調模塊和第二信號調制模塊，其中，所述接收線圈、所述次級諧振補償電路、所述電能轉換器和所述用電設備依次電連接。

進一步地，在所述初級回路中，所述第一信號調制模塊與所述初級諧振補償電路電連接，所述第一信號解調模塊與所述第一控制器及所述發射線圈電連接，所述第一控制器與所述高頻逆變器電連接。

進一步地，在所述次級回路中，所述第二信號解調模塊與所述接收線圈電連接，所述第二信號解調模塊與所述第二控制器電連接，所述第二控制器與所述第二信號調制模塊電連接，所述第二信號調制模塊與所述次級諧振補償電路電連接。

進一步地，所述發射線圈和所述接收線圈為一組電磁線圈。

本實用新型的有益技術效果：

(1)本實用新型所述傳輸系統，相比分體式設計，由于減少使用了一組線圈，能夠有效減小機械尺寸和重量，降低電磁輻射,也降低了電能傳輸系統自身的功率損耗，能夠在很多尺寸受限的場景下應用(例如石油鉆井鉆鋌中)。

(2)能夠保證電能及通信信號的同時傳輸，其中通信信號能夠實現雙向傳輸。

附圖說明

圖1為感應耦合電能與信號傳輸系統原理框圖；

圖2為本實用新型非接觸電能及雙向信號傳輸系統的電路結構圖；

圖3信號正向傳輸時(由電能發送方到電能接收方)，信號解調流程圖；

圖4信號反向傳輸時(由電能接收方到電能發送方)，信號解調流程圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

相反，本實用新型涵蓋任何由權利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本實用新型。

實施例1

一種非接觸電能及雙向信號的傳輸系統，如圖1所示，所述系統包括初級回路和次級回路；所述初級回路和所述次級回路感應耦合且沒有直接的電氣連接；

所述初級回路包括電源、高頻逆變器、初級諧振補償電路、發射線圈、第一控制器、第一信號解調模塊和第一信號調制模塊，其中，所述電源、所述高頻逆變器、所述初級諧振補償電路和所述發射線圈依次電連接；所述次級回路包括用電設備、電能轉換器、次級諧振補償電路、接收線圈、第二控制器、第二信號解調模塊和第二信號調制模塊，其中，所述接收線圈、所述次級諧振補償電路、所述電能轉換器和所述用電設備依次電連接。

在所述初級回路中電能通過高頻逆變器逆變成高頻交流電流，通過所述初級諧振補償回路，在發射線圈產生高頻交變磁場，所產生的高頻交變磁場直接通過傳輸介質(空氣、水、油等)傳輸到所述次級回路的接收線圈上。次級回路接收到的電能通過所述次級諧振補償電路以加強能量傳輸效率，通過所述電能轉換器將交流電轉成直流，并進行濾波穩壓等處理，最后將處理好的電能傳輸給用電設備以便其正常工作。

所述發射線圈和所述接收線圈構成變壓器結構，所述變壓器結構為電能耦合結構。電能耦合結構的外形結構根據應用場景而已，如同心圓環、平行環等。這種結構的約束，使得傳輸距離不會很大(通常0-20cm范圍)，否則傳輸功率和效率會降低，甚至無法滿足實用要求。

在所述初級回路中，所述第一信號調制模塊與所述初級諧振補償電路電連接，所述第一信號解調模塊與所述第一控制器及所述發射線圈電連接，所述第一控制器與所述高頻逆變器電連接。

其中在所述初級回路中，高頻逆變器，用于用直流電源轉換成交流電源，且頻率可以調節；

初級諧振補償電路，用于與發射線圈配合，形成LC諧振電路；

發射線圈，用于與接收線圈構成變壓器結構，完成電能發送功能；

第一控制器，用于高頻逆變器、初級諧振補償電路控制、數字信號的緩存與處理，并與其他電氣單元連接，在本實施例中，所述第一控制器為ST公司的STM32ARM芯片、或者NXP公司等公司內部具有定時器等ARM芯片；

第一信號調制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關，能夠改變初級諧振補償電路的諧振電容，與所述高頻逆變器的逆變頻率相配合，高頻逆變器可工作于2種不同的逆變頻率，分別代表數字信號1或0，即能夠完成信號調制。

第一信號解調模塊包含對高頻逆變器輸出電壓和電流進行經過取樣、濾波、整形、過零比較的電路，從高頻逆變器輸出電壓信號和電流信號兩路信號進入第一信號解調模塊，在所述第一信號解調模塊中，兩路信號經過相位差產生器后輸出一路攜帶相位差信息的信號，而后攜帶相位差信息的信號進入相位差檢測電路，相位差判決器依據相位差值大小判決輸出數字信號1或0，即完成信號解調。

信號完成解調后，被傳輸至第一控制器，第一控制器將解調后信號保存在內部緩存器中或通過接口發送給其他電氣單元。

在所述次級回路中，所述接收線圈、所述次級諧振補償電路、所述電能轉換器和所述用電設備依次電連接，所述第二信號解調模塊與所述接收線圈電連接，所述第二信號解調模塊與所述第二控制器電連接，所述第二控制器與所述第二信號調制模塊電連接，所述第二信號調制模塊與所述次級諧振補償電路電連接。

其中在所述次級回路中，電能轉換器用于將交流電源轉換成直流電源，并進行濾波穩壓等處理；

次級諧振補償電路用于與接收線圈配合，形成LC諧振電路；

接收線圈用于與發射線圈構成變壓器結構，完成電能接收功能；

第二控制器用于次級諧振補償電路控制、數字信號的緩存與處理，并與其他電氣單元連接。在本實施例中，所述第二控制器采用為ST公司的STM32 ARM芯片、或者NXP公司等公司內部具有定時器等ARM芯片；

第二信號調制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關，能夠改變次級諧振補償電路的諧振電容，并且能夠控制諧振電容選擇開關的開關狀態，開關狀態分別對應數字信號1或0，即完成信號調制。

第二信號解調模塊包含次級線圈電流的取樣、濾波、整形、過零比較電路，整形后信號進入頻率檢測電路，頻率檢測電路依據不同的頻率值判決輸出1或0，即完成信號解調。

所述發射線圈和所述接收線圈為一組電磁線圈。所述傳輸系統通過同一組電磁線圈同時完成電能和通信信號的傳輸，所述系統能夠實現電能的非接觸傳輸以及通信信號的雙向傳輸。

所述通信信號的雙向傳輸包括：通信信號從電能發送方傳輸到電能接收方的正向傳輸以及通信信號從電能接收方傳輸到電能發送方的反向傳輸(電能發送方在又稱為原邊，此邊的線圈稱為原邊線圈，電能接收方又稱為副邊，此邊的線圈稱為副邊線圈)；

所述正向傳輸通過改變電能發送方到電能接收方的電壓或電流頻率進行調制，并通過檢測副邊諧振電流I_s的頻率進行解調；所述反向傳輸通過改變電流相位的方式進行調制，使電能發送方能通過檢測電流的相位變化來解調信號。

利用所述傳輸系統進行非接觸電能傳輸及雙向信號傳輸具體為：

1.非接觸電能傳輸

圖2為本實施例中非接觸電能及雙向信號的傳輸系統的電路結構圖；在相對分離的供電電源與用電設備之間進行電能的傳輸，具體為：如圖2所示，原邊為串聯諧振，副邊為并聯諧振。其中，Vin為電壓輸入，原邊高頻DC-AC變換器(為本實施例中所選用的高頻逆變器)由Q1～Q4共四個開關管構成，傳輸系統的工作頻率一般在10KHz～100KHz。Lp為傳輸系統的原邊自感值，Cp由Cp1、Cp2并聯而成，Cp為原邊補償電容，并與Lp呈串聯結構；Ps為第一調制器和第一解調器，Kp為初級諧振電容選擇開關，Ip為初級線圈電流。

系統的副邊為并聯結構，Ls為傳輸系統副邊自感，Cs由Cs1、Cs2并聯而成，Cs為副邊補償電容，Cs與Ls呈并聯結構。RL為負載；Ss為第二調制器和第而解調器，Ks為次級諧振電容選擇開關。系統原副邊之間的互感值M較小，一般為0.1～0.4。原邊的自然諧振頻率f_p為

可知，原邊的自然諧振頻率與原邊的自感值Lp、補償電容值Cp、副邊自感值Ls以及互感M均有關。當能量傳輸的交流磁場變化頻率在系統的自然諧振頻率時，能量傳輸功率和效率都較大。

以下約定信號從原邊(電能發送方)發送給副邊(電能接收方)成為正向傳輸，反之成為反向傳輸。

2信號正向傳輸

2.1信號調制

信號正向傳輸時，信號調制在原邊的第一信號調制模塊中完成。

其中，第一信號調制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關，能夠改變初級諧振補償電路的諧振電容，與所述高頻逆變器的逆變頻率相配合，其基本思想是：

①通過改變原副邊的工作頻率(即電壓或電流頻率)進行信號調制。

②保持原邊始終工作在諧振狀態，改變工作頻率的同時改變初級諧振補償電路的諧振電容的值。

③副邊始終工作在自然諧振頻率附近，以降低信號傳輸時由于頻率改變對能量傳輸造成的影響。

如圖2所示，副邊為并聯結構，在第一信號調制模塊進行調制信號過程中副邊的結構參數保持不變。原邊為串聯補償，Cp1為原邊補償電容，Cp2為調制信號時原邊補償電容增量，Kp為初級諧振電容選擇開關。原邊DC-AC變換器(高頻逆變器)由Q1～Q4組成，其中Q1、Q4組成一個橋臂，同時導通或關斷，Q2、Q3組成另一個橋臂，同時開通或關段，兩組開關管開關時間完全互補，形成全橋逆變。其開關頻率根據信號調制過程而改變，假定用f₀表示信號“0”，用f₁表示信號“1”。

當傳輸數字信號“0”時，第一信號調制模塊的調制開關Kp為閉合導通狀態，原邊補償電容值為Cp1+Cp2；系統原邊由DC-AC變換器、Cp1+Cp2、Lp形成串聯回路，設置參數使此時的系統原邊和副邊的自然諧振頻率均為f₀，即：

調節DC-AC變換器，使其逆變頻率與保持f₀一致。則原副邊均工作在諧振狀態，能量傳輸能力最大。此時檢測副邊諧振電流I_s的頻率，此頻率與原邊逆變頻率一致，均為f₀。

當傳輸數字信號“1”時，第一信號調制模塊的調制開關K_p關斷，原邊補償電容值為C_p1，系統原邊由DC-AC變換器、C_p1、L_p形成串聯回路，則原邊自然諧振頻率變為f₁：

調整DC-AC變換器，使其頻率與f₁保持一致，此時系統原邊保持工作在諧振狀態。檢測副邊諧振電流I_s的頻率，副邊諧振電流頻率跟隨原邊逆變頻率，也為f₁。由于原邊一直工作在系統自然諧振頻率點，因此，此時的逆變電壓與諧振電流也是同相位，DC-AC變換器也工作在軟開關狀態。

2.2信號解調

信號正向傳輸時，信號解調在副邊的第二信號調制模塊中完成。根據前面提到的信號調頻調制方式，系統通過原副邊的不同工作頻率來表示數字信號“0”和“1”。對于信號解調，在系統副邊檢測副邊諧振電流I_s的頻率f，若f與f₀差值的有效值小于預設值△f₀，則認為收到信號“0”；而若f與f₁差值的有效值小于預設值△f₁，則認為收到信號“1”。

系統工作頻率在10-100KHz之間，相對高速信號傳輸來說，其頻率相對較低，如果兩個調制頻率相差比較明顯，則用一般的高速處理芯片可以直接測出其頻率。因此，第二信號調制模塊可以用芯片檢測直接進行信號解調。首先要先將檢測到不同頻率的電流信號轉換為同頻率的方波信號，以轉換電平，此檢測電路可用過零比較器實現。轉換波形接入微處理器芯片(MCU)，進行芯片解調，芯片解調流程圖如圖3所示，其過程是：1)初始化MCU(包括初始化時鐘、IO、定時器、中斷設置)，使其正確配置，啟動頻率捕捉模塊；2)頻率信號輸入后，MCU的頻率捕捉模塊實時捕捉計算信號頻率；3)判決器判斷輸入信號的頻率f與參考頻率f₀、f₁的差值，|f-f₀|<△f₀時(△f₀為預設值)，認為接收到0，|f-f₁|<△f₁時(△f₁為預設值)，認為接收到1，即完成信號解調。

3.信號反向傳輸

信號的反向傳輸是指信號從副邊向原邊的信號傳輸，擬采用基于電流相位調制的信號反向傳輸，通過改變副邊的補償電容來影響原邊波形，從而加載信號。

在感應耦合電能傳輸系統中，當副邊工作在完全諧振狀態時，其在原邊的反射阻抗為純阻性，若原邊也工作在完全諧振狀態，則輸入電壓與電流的相位相同。若保持原邊的工作頻率不變，改變副邊的電路結構，使其反射到原邊的阻抗不為純阻性，則原邊的諧振狀態將被打破，原邊的輸入電壓和電流之間將產生相位差。

在本實用新型的電路結構中，其原邊自然諧振頻率可由式(1)給出，在K_s導通時，補償電容增量C_s2接入電路，在原邊逆變頻率不變的條件下，反射到原邊的等效阻抗無論實部還是虛部均有減小，相當于副邊諧振電路的電感量減小(記改變量為ΔL)，從而引起原邊自然諧振頻率的改變，改變后原邊諧振頻率為f_p1如：

因此，當通信信號從電能發送方傳輸到電能接收方時，即正向傳輸，通過改變電能傳輸的電壓或電流頻率的方式進行調制，與此同時調整原邊線圈的諧振電容，使得不同電能傳輸頻率下原邊線圈都處于諧振狀態。在本實施例中，根據公式(1)-公式(4)計算得到相應的4個參數，并將這4個參數存儲于所述第一控制器和所述第二控制器中，在進行調制或解調時，直接讀取使用即可，因此，不需要再控制器中設置軟件來計算這4個參數。

3.1信號調制

信號反向傳輸時，信號調制在副邊的第二信號調制模塊中完成。

具體調制過程為，保持原邊的逆變頻率固定為系統自然諧振頻率f_p。當傳輸數字信號“0”時，控制器控制第二信號調制模塊的信號調制開關K_s關斷，斷開增量補償電容C_s2，此時系統原副邊均工作在自然諧振頻。原邊的諧振電流I_p與逆變橋輸出電壓U_in相位一致。當傳輸數字信號“1”時，控制器控制信號調制開關K_s導通，增量補償電容C_s2接入電路，此時副邊反射到原邊的阻抗呈現負感性，原邊電路呈容性，逆變頻小于原邊自然諧振頻率f_p，U_in相位滯后于諧振電流I_p波形；即在不同的調制條件下，原邊的電壓和電流的相位差發生改變，即完成調制。

3.2信號解調

信號反向傳輸時，信號解調在原邊的第一信號解調模塊中完成。

如圖4所示：

高頻逆變器輸出的電壓和電流經過取樣、濾波、整形、過零比較電路，輸出后的電壓信號和電流信號兩路信號，電壓信號和電流信號兩路信號經過信號轉換器、相位差產生器后輸出一路攜帶相位差信息的信號，而后在進入相位差檢測電路，相位差判決器依據相位差值大小判決輸出數字信號1或0，即完成信號解調。

根據信號調制特點，當傳輸信號“0”時，原邊輸入電壓和電流之間沒有相位差或相位差很小，當傳輸信號“1”時，原邊輸入電壓和電流之間有明顯的相位差。因此可檢測原邊輸入電壓U_in和電流I_p，當檢測到相應的相位差大于某一預設值△P₁，則認為接受到信號“1”，當檢測到相位差小于某一預設值△P₀，則認為接收到信號“0”。

因此，當通信信號從電能接收方傳輸到電能發送方時，通過改變電流相位的方式進行調制，使電能發送方能通過檢測電流的相位差變化來解調信號；其中，改變電流相位的方式具體為調整次級回路中接收線圈的諧振電容。