一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，能够实现高频大功率的无线电能与信息的同步传输。本发明专利技术系统通过将数字频带信号调制于直流母线，利用逆变/整流电路的混频效应，将调制的数字信号频谱迁移至功率传输频率附近，并传输至异侧电路，接收侧电路对该信号解调得到基带信号。本发明专利技术适用性广，可用于各种无线电能传输系统，尤其适合于高频系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统
本专利技术属于电力电子、无线电能传输和载波通信
，具体涉及一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统。
技术介绍
无线电能传输技术作为一种新型的电能传输方式，在许多领域得到越来越多的应用。在消费类电子产品中，电池充电接口是一个十分关键的设计，由于接头处的磨损问题，会导致故障，而非接触式充电方式可以有效避免此类问题。在大功率应用场合，如电动汽车以及电动轨道交通等领域，无线能量传输技术可以避免供电接口处的磨损以及接触式充电带来的接触火花等安全隐患。另外，在一些特殊的需要非接触式供电的场合如水下作业、矿山等，这项技术有着独特的优势。无线电能传输包括容性耦合式电能传输(CapacitivelyCoupledPowerTransfer，CCPT)和感性耦合式电能传输(InductivelyCoupledPowerTransfer，ICPT)，感性耦合式电能传输又分为磁感应式无线电能传输和磁谐振式无线电能传输。目前，磁感应式无线电能传输系统的输出功率较大、传输效率高，但是信号频率较低、传输距离较近；磁谐振式无线电能传输系统的信号频率较高、传输距离较远，但是输出功率较小、传输效率较低。无线电能传输系统在实际应用中，除了需要具有高效的电能转换电路外，还需具备线圈定位、系统状态监控、反馈控制、异物检测等功能，因此需要在供电侧(原边)与受电侧(副边)之间实现单向或双向数据通信，如图1所示；现有无线电能传输系统中的通信方式有以下几类：(1)通信与无线电能传输在电路和传输路径上完全独立，该类方法可采用专用的射频通信模块(如蓝牙、ZIGBEE等)实现。如申请号为200910049173.1和201210510534.X的中国专利均采用了这种方式，该方式在一些场合使用方便，但易受外部干扰。该类方式的另一实现途径是：系统除了功率耦合电感外，额外增加一组通信线圈，利用额外无线通信模块或额外电感线圈技术中，功率载波和信号载波不通过公共电感线圈传输，功率模块和通信模块电路不相连，控制上也是解耦的；但额外的通信电感线圈不仅增加了系统体积，不适合用于某些体积敏感的场合，而且在功率和信号同时传输时，功率传输不可避免地会影响信号传输过程，因此对设计人员的要求较高。(2)通信与无线电能传输使用公共耦合线圈，但信号与能量采用时分复用方式传输。如申请号为200980156736.5的中国专利采用了该方式，这种方式不断切换工作方式，通常存在较长的过渡过程，影响传输功率和效率，因此不适用于较大功率传输，且通信速率也较低。(3)通信与无线电能传输共用耦合电感线圈并共用一个频段，采用负载调制方法从副边向原边传输数据。典型的负载调制方法包括Qi标准采用的通信方式，即在副边增加额外开关，通过切换负载阻抗实现反向通信。如申请号为201611261894.5的中国专利在副边采用可控整流电路，通过调整开通角的方法实现副边向原边的数据传输；但是这类负载调制技术造成较大的功率损耗，降低了无线能量传输系统的能量传输效率，难以适用于较大功率传输场合。(4)信息与电能传输共用耦合线圈，但功率与信号采用不同的传输频率。如申请号为201310533459.3的中国专利提出了一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的方法，但该方法要求通信载波频率远大于功率传输频率，因此适合于较低频率的无线电能传输(如85kHz)，而在一些采用较高频率(如6.78MHz)的无线电能传输系统中，该方法无法适用。综上所述，在较大功率的高频无线电能传输系统中，目前尚无较好的无线电能与信息同传方案。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，能够实现高频大功率的无线电能与信息的同步传输。一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，其供电侧与直流电源相连，受电侧与直流负载相连，且供电侧与直流电源之间以及受电侧与直流负载之间设置有载波调制耦合模块和数据解调模块，所述载波调制耦合模块用于将数据信息通过载波的形式注入到无线电能传输系统一侧(供电侧或受电侧)的直流母线上完成对数据信息的调制，无线电能传输系统将调制信号从一侧无线传输至另一侧，所述数据解调模块则在另一侧的直流母线上通过信号采集并解调得到数据信息，从而实现数据双向通信；所述载波的频率远低于无线电能传输系统的功率传输频率(一般为功率传输频率的1/1000～1/10)。进一步地，所述载波调制耦合模块包括：信号调制电路，用于对数据信息进行调制后生成调制信号；信号耦合电路，用于对调制信号进行滤波后耦合至无线电能传输系统一侧的直流母线上。进一步地，所述信号调制电路对数据信息进行频带调制，调制方法可采用OOK、FSK、多进制PSK、DPSK、QAM或OFDM等。进一步地，所述信号调制电路对数据信息进行基带调制，其波特率远低于无线电能传输系统的功率传输频率，基带调制方法可采用不归零码、归零码或曼彻斯特编码。进一步地，所述信号调制电路包括半桥电路、方波调制模块和驱动电路，所述半桥电路包括两个功率开关管Q1和Q2，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的输出端，功率开关管Q2的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号，所述驱动电路对方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端接地，原边补偿电容C1与隔离变压器T1的原边绕组并联，隔离变压器T1的副边绕组串接在无线电能传输系统供电侧或受电侧的直流母线上，原边补偿电容C2与隔离变压器T1的副边绕组并联。进一步地，所述信号调制电路包括全桥电路、方波调制模块和两个驱动电路H1和H2，所述全桥电路包括四个功率开关管Q1～Q4，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的第一输出端，功率开关管Q2的源极接地，功率开关管Q3的漏极接直流电压，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极相连并作为信号调制电路的第二输出端，功率开关管Q4的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号并分为两路输出，驱动电路H1对一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极，驱动电路H2对另一路方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q3和Q4的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的第一输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一端与信号调制电路的第二输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，其供电侧与直流电源相连，受电侧与直流负载相连，其特征在于：所述无线电能传输系统供电侧与直流电源之间以及受电侧与直流负载之间设置有载波调制耦合模块和数据解调模块，所述载波调制耦合模块用于将数据信息通过载波的形式注入到无线电能传输系统一侧的直流母线上完成对数据信息的调制，无线电能传输系统将调制信号从一侧无线传输至另一侧，所述数据解调模块则在另一侧的直流母线上通过信号采集并解调得到数据信息，从而实现数据双向通信；所述载波的频率远低于无线电能传输系统的功率传输频率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于直流纹波调制的无线电能和数据同步传输系统，包括无线电能传输系统，其供电侧与直流电源相连，受电侧与直流负载相连，其特征在于：所述无线电能传输系统供电侧与直流电源之间以及受电侧与直流负载之间设置有载波调制耦合模块和数据解调模块，所述载波调制耦合模块用于将数据信息通过载波的形式注入到无线电能传输系统一侧的直流母线上完成对数据信息的调制，无线电能传输系统将调制信号从一侧无线传输至另一侧，所述数据解调模块则在另一侧的直流母线上通过信号采集并解调得到数据信息，从而实现数据双向通信；所述载波的频率远低于无线电能传输系统的功率传输频率。


2.根据权利要求1所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述载波调制耦合模块包括：
信号调制电路，用于对数据信息进行调制后生成调制信号；
信号耦合电路，用于对调制信号进行滤波后耦合至无线电能传输系统一侧的直流母线上。


3.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路对数据信息进行频带调制，调制方法可采用OOK、FSK、多进制PSK、DPSK、QAM或OFDM。


4.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路对数据信息进行基带调制，其波特率远低于无线电能传输系统的功率传输频率，基带调制方法可采用不归零码、归零码或曼彻斯特编码。


5.根据权利要求2所述的无线电能和数据同步传输系统，其特征在于：所述信号调制电路包括半桥电路、方波调制模块和驱动电路，所述半桥电路包括两个功率开关管Q1和Q2，功率开关管Q1的漏极接直流电压，功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极相连并作为信号调制电路的输出端，功率开关管Q2的源极接地；所述方波调制模块用于将数据信息转换为方波信号，所述驱动电路对方波信号进行功率放大后生成一对互补的开关信号分别驱动功率开关管Q1和Q2的栅极；所述信号耦合电路包括阻抗网络Z1、原边补偿电容C1、副边补偿电容C2和隔离变压器T1，其中阻抗网络Z1的一端与信号调制电路的输出端相连，阻抗网络Z1的另一端与隔离变压器T1原边绕组的一端相连，隔离变压器T1原边绕组的另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建德，刘胜，冯跃，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33