一种非接触电能及双向信号传输系统的制作方法

本实用新型属于感应耦合电能和信号传输技术领域，具体涉及一种非接触电能及双向信号传输系统。

背景技术：

感应耦合电能传输技术是一种基于高频电磁场近场耦合原理实现电能近距离非接触传输的技术。目前，在家电、石油钻井、植入医疗设备、电动汽车充电等领域得到了越来越广泛的应用。

在许多应用场景下，往往需要电能与通信信号的同步传输，电能为受电单元提供能量，信号通信则用于传递控制指令、状态信息、传感器测量数值等。目前大量应用方式是，将电能传输和信号传输分别通过不同的电磁线圈结构传输，造成机械尺寸和重量过大、电磁辐射高、自身功耗高的问题。

另外，在现有技术中，虽然有些研究者已经尝试将电能与信号进行同步传输，且实现了信号的单向传输，不过其存在应用范围窄的缺点(大量应用场景下需要双向通信，例如石油钻井、汽车充电、家电充电等等)。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种非接触电能及双向信号传输系统。所述传输系统应用于非接触电能和信号传输中，能够利用一组电磁线圈同时完成电能和信号的传输，且信号为双向传输。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种非接触电能及双向信号的传输系统，所述系统包括初级回路和次级回路；所述初级回路和所述次级回路感应耦合且没有直接的电气连接；

所述初级回路包括电源、高频逆变器、初级谐振补偿电路、发射线圈、第一控制器、第一信号解调模块和第一信号调制模块，其中，所述电源、所述高频逆变器、所述初级谐振补偿电路和所述发射线圈依次电连接；所述次级回路包括用电设备、电能转换器、次级谐振补偿电路、接收线圈、第二控制器、第二信号解调模块和第二信号调制模块，其中，所述接收线圈、所述次级谐振补偿电路、所述电能转换器和所述用电设备依次电连接。

进一步地，在所述初级回路中，所述第一信号调制模块与所述初级谐振补偿电路电连接，所述第一信号解调模块与所述第一控制器及所述发射线圈电连接，所述第一控制器与所述高频逆变器电连接。

进一步地，在所述次级回路中，所述第二信号解调模块与所述接收线圈电连接，所述第二信号解调模块与所述第二控制器电连接，所述第二控制器与所述第二信号调制模块电连接，所述第二信号调制模块与所述次级谐振补偿电路电连接。

进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈为一组电磁线圈。

本实用新型的有益技术效果：

(1)本实用新型所述传输系统，相比分体式设计，由于减少使用了一组线圈，能够有效减小机械尺寸和重量，降低电磁辐射,也降低了电能传输系统自身的功率损耗，能够在很多尺寸受限的场景下应用(例如石油钻井钻铤中)。

(2)能够保证电能及通信信号的同时传输，其中通信信号能够实现双向传输。

附图说明

图1为感应耦合电能与信号传输系统原理框图；

图2为本实用新型非接触电能及双向信号传输系统的电路结构图；

图3信号正向传输时(由电能发送方到电能接收方)，信号解调流程图；

图4信号反向传输时(由电能接收方到电能发送方)，信号解调流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

实施例1

一种非接触电能及双向信号的传输系统，如图1所示，所述系统包括初级回路和次级回路；所述初级回路和所述次级回路感应耦合且没有直接的电气连接；

所述初级回路包括电源、高频逆变器、初级谐振补偿电路、发射线圈、第一控制器、第一信号解调模块和第一信号调制模块，其中，所述电源、所述高频逆变器、所述初级谐振补偿电路和所述发射线圈依次电连接；所述次级回路包括用电设备、电能转换器、次级谐振补偿电路、接收线圈、第二控制器、第二信号解调模块和第二信号调制模块，其中，所述接收线圈、所述次级谐振补偿电路、所述电能转换器和所述用电设备依次电连接。

在所述初级回路中电能通过高频逆变器逆变成高频交流电流，通过所述初级谐振补偿回路，在发射线圈产生高频交变磁场，所产生的高频交变磁场直接通过传输介质(空气、水、油等)传输到所述次级回路的接收线圈上。次级回路接收到的电能通过所述次级谐振补偿电路以加强能量传输效率，通过所述电能转换器将交流电转成直流，并进行滤波稳压等处理，最后将处理好的电能传输给用电设备以便其正常工作。

所述发射线圈和所述接收线圈构成变压器结构，所述变压器结构为电能耦合结构。电能耦合结构的外形结构根据应用场景而已，如同心圆环、平行环等。这种结构的约束，使得传输距离不会很大(通常0-20cm范围)，否则传输功率和效率会降低，甚至无法满足实用要求。

在所述初级回路中，所述第一信号调制模块与所述初级谐振补偿电路电连接，所述第一信号解调模块与所述第一控制器及所述发射线圈电连接，所述第一控制器与所述高频逆变器电连接。

其中在所述初级回路中，高频逆变器，用于用直流电源转换成交流电源，且频率可以调节；

初级谐振补偿电路，用于与发射线圈配合，形成LC谐振电路；

发射线圈，用于与接收线圈构成变压器结构，完成电能发送功能；

第一控制器，用于高频逆变器、初级谐振补偿电路控制、数字信号的缓存与处理，并与其他电气单元连接，在本实施例中，所述第一控制器为ST公司的STM32ARM芯片、或者NXP公司等公司内部具有定时器等ARM芯片；

第一信号调制模块，包括谐振电容组和电容选择开关，能够改变初级谐振补偿电路的谐振电容，与所述高频逆变器的逆变频率相配合，高频逆变器可工作于2种不同的逆变频率，分别代表数字信号1或0，即能够完成信号调制。

第一信号解调模块包含对高频逆变器输出电压和电流进行经过取样、滤波、整形、过零比较的电路，从高频逆变器输出电压信号和电流信号两路信号进入第一信号解调模块，在所述第一信号解调模块中，两路信号经过相位差产生器后输出一路携带相位差信息的信号，而后携带相位差信息的信号进入相位差检测电路，相位差判决器依据相位差值大小判决输出数字信号1或0，即完成信号解调。

信号完成解调后，被传输至第一控制器，第一控制器将解调后信号保存在内部缓存器中或通过接口发送给其他电气单元。

在所述次级回路中，所述接收线圈、所述次级谐振补偿电路、所述电能转换器和所述用电设备依次电连接，所述第二信号解调模块与所述接收线圈电连接，所述第二信号解调模块与所述第二控制器电连接，所述第二控制器与所述第二信号调制模块电连接，所述第二信号调制模块与所述次级谐振补偿电路电连接。

其中在所述次级回路中，电能转换器用于将交流电源转换成直流电源，并进行滤波稳压等处理；

次级谐振补偿电路用于与接收线圈配合，形成LC谐振电路；

接收线圈用于与发射线圈构成变压器结构，完成电能接收功能；

第二控制器用于次级谐振补偿电路控制、数字信号的缓存与处理，并与其他电气单元连接。在本实施例中，所述第二控制器采用为ST公司的STM32 ARM芯片、或者NXP公司等公司内部具有定时器等ARM芯片；

第二信号调制模块，包括谐振电容组和电容选择开关，能够改变次级谐振补偿电路的谐振电容，并且能够控制谐振电容选择开关的开关状态，开关状态分别对应数字信号1或0，即完成信号调制。

第二信号解调模块包含次级线圈电流的取样、滤波、整形、过零比较电路，整形后信号进入频率检测电路，频率检测电路依据不同的频率值判决输出1或0，即完成信号解调。

所述发射线圈和所述接收线圈为一组电磁线圈。所述传输系统通过同一组电磁线圈同时完成电能和通信信号的传输，所述系统能够实现电能的非接触传输以及通信信号的双向传输。

所述通信信号的双向传输包括：通信信号从电能发送方传输到电能接收方的正向传输以及通信信号从电能接收方传输到电能发送方的反向传输(电能发送方在又称为原边，此边的线圈称为原边线圈，电能接收方又称为副边，此边的线圈称为副边线圈)；

所述正向传输通过改变电能发送方到电能接收方的电压或电流频率进行调制，并通过检测副边谐振电流I_s的频率进行解调；所述反向传输通过改变电流相位的方式进行调制，使电能发送方能通过检测电流的相位变化来解调信号。

利用所述传输系统进行非接触电能传输及双向信号传输具体为：

1.非接触电能传输

图2为本实施例中非接触电能及双向信号的传输系统的电路结构图；在相对分离的供电电源与用电设备之间进行电能的传输，具体为：如图2所示，原边为串联谐振，副边为并联谐振。其中，Vin为电压输入，原边高频DC-AC变换器(为本实施例中所选用的高频逆变器)由Q1～Q4共四个开关管构成，传输系统的工作频率一般在10KHz～100KHz。Lp为传输系统的原边自感值，Cp由Cp1、Cp2并联而成，Cp为原边补偿电容，并与Lp呈串联结构；Ps为第一调制器和第一解调器，Kp为初级谐振电容选择开关，Ip为初级线圈电流。

系统的副边为并联结构，Ls为传输系统副边自感，Cs由Cs1、Cs2并联而成，Cs为副边补偿电容，Cs与Ls呈并联结构。RL为负载；Ss为第二调制器和第而解调器，Ks为次级谐振电容选择开关。系统原副边之间的互感值M较小，一般为0.1～0.4。原边的自然谐振频率f_p为

可知，原边的自然谐振频率与原边的自感值Lp、补偿电容值Cp、副边自感值Ls以及互感M均有关。当能量传输的交流磁场变化频率在系统的自然谐振频率时，能量传输功率和效率都较大。

以下约定信号从原边(电能发送方)发送给副边(电能接收方)成为正向传输，反之成为反向传输。

2信号正向传输

2.1信号调制

信号正向传输时，信号调制在原边的第一信号调制模块中完成。

其中，第一信号调制模块，包括谐振电容组和电容选择开关，能够改变初级谐振补偿电路的谐振电容，与所述高频逆变器的逆变频率相配合，其基本思想是：

①通过改变原副边的工作频率(即电压或电流频率)进行信号调制。

②保持原边始终工作在谐振状态，改变工作频率的同时改变初级谐振补偿电路的谐振电容的值。

③副边始终工作在自然谐振频率附近，以降低信号传输时由于频率改变对能量传输造成的影响。

如图2所示，副边为并联结构，在第一信号调制模块进行调制信号过程中副边的结构参数保持不变。原边为串联补偿，Cp1为原边补偿电容，Cp2为调制信号时原边补偿电容增量，Kp为初级谐振电容选择开关。原边DC-AC变换器(高频逆变器)由Q1～Q4组成，其中Q1、Q4组成一个桥臂，同时导通或关断，Q2、Q3组成另一个桥臂，同时开通或关段，两组开关管开关时间完全互补，形成全桥逆变。其开关频率根据信号调制过程而改变，假定用f₀表示信号“0”，用f₁表示信号“1”。

当传输数字信号“0”时，第一信号调制模块的调制开关Kp为闭合导通状态，原边补偿电容值为Cp1+Cp2；系统原边由DC-AC变换器、Cp1+Cp2、Lp形成串联回路，设置参数使此时的系统原边和副边的自然谐振频率均为f₀，即：

调节DC-AC变换器，使其逆变频率与保持f₀一致。则原副边均工作在谐振状态，能量传输能力最大。此时检测副边谐振电流I_s的频率，此频率与原边逆变频率一致，均为f₀。

当传输数字信号“1”时，第一信号调制模块的调制开关K_p关断，原边补偿电容值为C_p1，系统原边由DC-AC变换器、C_p1、L_p形成串联回路，则原边自然谐振频率变为f₁：

调整DC-AC变换器，使其频率与f₁保持一致，此时系统原边保持工作在谐振状态。检测副边谐振电流I_s的频率，副边谐振电流频率跟随原边逆变频率，也为f₁。由于原边一直工作在系统自然谐振频率点，因此，此时的逆变电压与谐振电流也是同相位，DC-AC变换器也工作在软开关状态。

2.2信号解调

信号正向传输时，信号解调在副边的第二信号调制模块中完成。根据前面提到的信号调频调制方式，系统通过原副边的不同工作频率来表示数字信号“0”和“1”。对于信号解调，在系统副边检测副边谐振电流I_s的频率f，若f与f₀差值的有效值小于预设值△f₀，则认为收到信号“0”；而若f与f₁差值的有效值小于预设值△f₁，则认为收到信号“1”。

系统工作频率在10-100KHz之间，相对高速信号传输来说，其频率相对较低，如果两个调制频率相差比较明显，则用一般的高速处理芯片可以直接测出其频率。因此，第二信号调制模块可以用芯片检测直接进行信号解调。首先要先将检测到不同频率的电流信号转换为同频率的方波信号，以转换电平，此检测电路可用过零比较器实现。转换波形接入微处理器芯片(MCU)，进行芯片解调，芯片解调流程图如图3所示，其过程是：1)初始化MCU(包括初始化时钟、IO、定时器、中断设置)，使其正确配置，启动频率捕捉模块；2)频率信号输入后，MCU的频率捕捉模块实时捕捉计算信号频率；3)判决器判断输入信号的频率f与参考频率f₀、f₁的差值，|f-f₀|<△f₀时(△f₀为预设值)，认为接收到0，|f-f₁|<△f₁时(△f₁为预设值)，认为接收到1，即完成信号解调。

3.信号反向传输

信号的反向传输是指信号从副边向原边的信号传输，拟采用基于电流相位调制的信号反向传输，通过改变副边的补偿电容来影响原边波形，从而加载信号。

在感应耦合电能传输系统中，当副边工作在完全谐振状态时，其在原边的反射阻抗为纯阻性，若原边也工作在完全谐振状态，则输入电压与电流的相位相同。若保持原边的工作频率不变，改变副边的电路结构，使其反射到原边的阻抗不为纯阻性，则原边的谐振状态将被打破，原边的输入电压和电流之间将产生相位差。

在本实用新型的电路结构中，其原边自然谐振频率可由式(1)给出，在K_s导通时，补偿电容增量C_s2接入电路，在原边逆变频率不变的条件下，反射到原边的等效阻抗无论实部还是虚部均有减小，相当于副边谐振电路的电感量减小(记改变量为ΔL)，从而引起原边自然谐振频率的改变，改变后原边谐振频率为f_p1如：

因此，当通信信号从电能发送方传输到电能接收方时，即正向传输，通过改变电能传输的电压或电流频率的方式进行调制，与此同时调整原边线圈的谐振电容，使得不同电能传输频率下原边线圈都处于谐振状态。在本实施例中，根据公式(1)-公式(4)计算得到相应的4个参数，并将这4个参数存储于所述第一控制器和所述第二控制器中，在进行调制或解调时，直接读取使用即可，因此，不需要再控制器中设置软件来计算这4个参数。

3.1信号调制

信号反向传输时，信号调制在副边的第二信号调制模块中完成。

具体调制过程为，保持原边的逆变频率固定为系统自然谐振频率f_p。当传输数字信号“0”时，控制器控制第二信号调制模块的信号调制开关K_s关断，断开增量补偿电容C_s2，此时系统原副边均工作在自然谐振频。原边的谐振电流I_p与逆变桥输出电压U_in相位一致。当传输数字信号“1”时，控制器控制信号调制开关K_s导通，增量补偿电容C_s2接入电路，此时副边反射到原边的阻抗呈现负感性，原边电路呈容性，逆变频小于原边自然谐振频率f_p，U_in相位滞后于谐振电流I_p波形；即在不同的调制条件下，原边的电压和电流的相位差发生改变，即完成调制。

3.2信号解调

信号反向传输时，信号解调在原边的第一信号解调模块中完成。

如图4所示：

高频逆变器输出的电压和电流经过取样、滤波、整形、过零比较电路，输出后的电压信号和电流信号两路信号，电压信号和电流信号两路信号经过信号转换器、相位差产生器后输出一路携带相位差信息的信号，而后在进入相位差检测电路，相位差判决器依据相位差值大小判决输出数字信号1或0，即完成信号解调。

根据信号调制特点，当传输信号“0”时，原边输入电压和电流之间没有相位差或相位差很小，当传输信号“1”时，原边输入电压和电流之间有明显的相位差。因此可检测原边输入电压U_in和电流I_p，当检测到相应的相位差大于某一预设值△P₁，则认为接受到信号“1”，当检测到相位差小于某一预设值△P₀，则认为接收到信号“0”。

因此，当通信信号从电能接收方传输到电能发送方时，通过改变电流相位的方式进行调制，使电能发送方能通过检测电流的相位差变化来解调信号；其中，改变电流相位的方式具体为调整次级回路中接收线圈的谐振电容。