本實(shí)用新型屬于感應(yīng)耦合電能和信號傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸電能及雙向信號傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)是一種基于高頻電磁場近場耦合原理實(shí)現(xiàn)電能近距離非接觸傳輸?shù)募夹g(shù)。目前，在家電、石油鉆井、植入醫(yī)療設(shè)備、電動汽車充電等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

在許多應(yīng)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(tài)信息、傳感器測量數(shù)值等。目前大量應(yīng)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(jié)構(gòu)傳輸，造成機(jī)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(xiàn)有技術(shù)中，雖然有些研究者已經(jīng)嘗試將電能與信號進(jìn)行同步傳輸，且實(shí)現(xiàn)了信號的單向傳輸，不過其存在應(yīng)用范圍窄的缺點(diǎn)(大量應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實(shí)用新型提供一種非接觸電能及雙向信號傳輸系統(tǒng)。所述傳輸系統(tǒng)應(yīng)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(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種非接觸電能及雙向信號的傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)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(yīng)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(bǔ)償電路、發(fā)射線圈、第一控制器、第一信號解調(diào)模塊和第一信號調(diào)制模塊，其中，所述電源、所述高頻逆變器、所述初級諧振補(bǔ)償電路和所述發(fā)射線圈依次電連接；所述次級回路包括用電設(shè)備、電能轉(zhuǎn)換器、次級諧振補(bǔ)償電路、接收線圈、第二控制器、第二信號解調(diào)模塊和第二信號調(diào)制模塊，其中，所述接收線圈、所述次級諧振補(bǔ)償電路、所述電能轉(zhuǎn)換器和所述用電設(shè)備依次電連接。

進(jìn)一步地，在所述初級回路中，所述第一信號調(diào)制模塊與所述初級諧振補(bǔ)償電路電連接，所述第一信號解調(diào)模塊與所述第一控制器及所述發(fā)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(jìn)一步地，在所述次級回路中，所述第二信號解調(diào)模塊與所述接收線圈電連接，所述第二信號解調(diào)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(diào)制模塊電連接，所述第二信號調(diào)制模塊與所述次級諧振補(bǔ)償電路電連接。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈為一組電磁線圈。

本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果：

(1)本實(shí)用新型所述傳輸系統(tǒng)，相比分體式設(shè)計(jì)，由于減少使用了一組線圈，能夠有效減小機(jī)械尺寸和重量，降低電磁輻射,也降低了電能傳輸系統(tǒng)自身的功率損耗，能夠在很多尺寸受限的場景下應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸。

附圖說明

圖1為感應(yīng)耦合電能與信號傳輸系統(tǒng)原理框圖；

圖2為本實(shí)用新型非接觸電能及雙向信號傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3信號正向傳輸時(由電能發(fā)送方到電能接收方)，信號解調(diào)流程圖；

圖4信號反向傳輸時(由電能接收方到電能發(fā)送方)，信號解調(diào)流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

相反，本實(shí)用新型涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本實(shí)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(jìn)一步，為了使公眾對本實(shí)用新型有更好的了解，在下文對本實(shí)用新型的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本實(shí)用新型。

實(shí)施例1

一種非接觸電能及雙向信號的傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，所述系統(tǒng)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(yīng)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(bǔ)償電路、發(fā)射線圈、第一控制器、第一信號解調(diào)模塊和第一信號調(diào)制模塊，其中，所述電源、所述高頻逆變器、所述初級諧振補(bǔ)償電路和所述發(fā)射線圈依次電連接；所述次級回路包括用電設(shè)備、電能轉(zhuǎn)換器、次級諧振補(bǔ)償電路、接收線圈、第二控制器、第二信號解調(diào)模塊和第二信號調(diào)制模塊，其中，所述接收線圈、所述次級諧振補(bǔ)償電路、所述電能轉(zhuǎn)換器和所述用電設(shè)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(bǔ)償回路，在發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，所產(chǎn)生的高頻交變磁場直接通過傳輸介質(zhì)(空氣、水、油等)傳輸?shù)剿龃渭壔芈返慕邮站€圈上。次級回路接收到的電能通過所述次級諧振補(bǔ)償電路以加強(qiáng)能量傳輸效率，通過所述電能轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)成直流，并進(jìn)行濾波穩(wěn)壓等處理，最后將處理好的電能傳輸給用電設(shè)備以便其正常工作。

所述發(fā)射線圈和所述接收線圈構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，所述變壓器結(jié)構(gòu)為電能耦合結(jié)構(gòu)。電能耦合結(jié)構(gòu)的外形結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用場景而已，如同心圓環(huán)、平行環(huán)等。這種結(jié)構(gòu)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(shí)用要求。

在所述初級回路中，所述第一信號調(diào)制模塊與所述初級諧振補(bǔ)償電路電連接，所述第一信號解調(diào)模塊與所述第一控制器及所述發(fā)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(zhuǎn)換成交流電源，且頻率可以調(diào)節(jié)；

初級諧振補(bǔ)償電路，用于與發(fā)射線圈配合，形成LC諧振電路；

發(fā)射線圈，用于與接收線圈構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，完成電能發(fā)送功能；

第一控制器，用于高頻逆變器、初級諧振補(bǔ)償電路控制、數(shù)字信號的緩存與處理，并與其他電氣單元連接，在本實(shí)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(nèi)部具有定時器等ARM芯片；

第一信號調(diào)制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關(guān)，能夠改變初級諧振補(bǔ)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(shù)字信號1或0，即能夠完成信號調(diào)制。

第一信號解調(diào)模塊包含對高頻逆變器輸出電壓和電流進(jìn)行經(jīng)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(jìn)入第一信號解調(diào)模塊，在所述第一信號解調(diào)模塊中，兩路信號經(jīng)過相位差產(chǎn)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(jìn)入相位差檢測電路，相位差判決器依據(jù)相位差值大小判決輸出數(shù)字信號1或0，即完成信號解調(diào)。

信號完成解調(diào)后，被傳輸至第一控制器，第一控制器將解調(diào)后信號保存在內(nèi)部緩存器中或通過接口發(fā)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(bǔ)償電路、所述電能轉(zhuǎn)換器和所述用電設(shè)備依次電連接，所述第二信號解調(diào)模塊與所述接收線圈電連接，所述第二信號解調(diào)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(diào)制模塊電連接，所述第二信號調(diào)制模塊與所述次級諧振補(bǔ)償電路電連接。

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

次級諧振補(bǔ)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(fā)射線圈構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，完成電能接收功能；

第二控制器用于次級諧振補(bǔ)償電路控制、數(shù)字信號的緩存與處理，并與其他電氣單元連接。在本實(shí)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(nèi)部具有定時器等ARM芯片；

第二信號調(diào)制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關(guān)，能夠改變次級諧振補(bǔ)償電路的諧振電容，并且能夠控制諧振電容選擇開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)數(shù)字信號1或0，即完成信號調(diào)制。

第二信號解調(diào)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(jìn)入頻率檢測電路，頻率檢測電路依據(jù)不同的頻率值判決輸出1或0，即完成信號解調(diào)。

所述發(fā)射線圈和所述接收線圈為一組電磁線圈。所述傳輸系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)送方傳輸?shù)诫娔芙邮辗降恼騻鬏斠约巴ㄐ判盘枏碾娔芙邮辗絺鬏數(shù)诫娔馨l(fā)送方的反向傳輸(電能發(fā)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(fā)送方到電能接收方的電壓或電流頻率進(jìn)行調(diào)制，并通過檢測副邊諧振電流I_s的頻率進(jìn)行解調(diào)；所述反向傳輸通過改變電流相位的方式進(jìn)行調(diào)制，使電能發(fā)送方能通過檢測電流的相位變化來解調(diào)信號。

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

系統(tǒng)的副邊為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，Ls為傳輸系統(tǒng)副邊自感，Cs由Cs1、Cs2并聯(lián)而成，Cs為副邊補(bǔ)償電容，Cs與Ls呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。RL為負(fù)載；Ss為第二調(diào)制器和第而解調(diào)器，Ks為次級諧振電容選擇開關(guān)。系統(tǒng)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(bǔ)償電容值Cp、副邊自感值Ls以及互感M均有關(guān)。當(dāng)能量傳輸?shù)慕涣鞔艌鲎兓l率在系統(tǒng)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(fā)送方)發(fā)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(diào)制

信號正向傳輸時，信號調(diào)制在原邊的第一信號調(diào)制模塊中完成。

其中，第一信號調(diào)制模塊，包括諧振電容組和電容選擇開關(guān)，能夠改變初級諧振補(bǔ)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(jìn)行信號調(diào)制。

②保持原邊始終工作在諧振狀態(tài)，改變工作頻率的同時改變初級諧振補(bǔ)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(lián)結(jié)構(gòu)，在第一信號調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)制信號過程中副邊的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。原邊為串聯(lián)補(bǔ)償，Cp1為原邊補(bǔ)償電容，Cp2為調(diào)制信號時原邊補(bǔ)償電容增量，Kp為初級諧振電容選擇開關(guān)。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(dǎo)通或關(guān)斷，Q2、Q3組成另一個橋臂，同時開通或關(guān)段，兩組開關(guān)管開關(guān)時間完全互補(bǔ)，形成全橋逆變。其開關(guān)頻率根據(jù)信號調(diào)制過程而改變，假定用f₀表示信號“0”，用f₁表示信號“1”。

當(dāng)傳輸數(shù)字信號“0”時，第一信號調(diào)制模塊的調(diào)制開關(guān)Kp為閉合導(dǎo)通狀態(tài)，原邊補(bǔ)償電容值為Cp1+Cp2；系統(tǒng)原邊由DC-AC變換器、Cp1+Cp2、Lp形成串聯(lián)回路，設(shè)置參數(shù)使此時的系統(tǒng)原邊和副邊的自然諧振頻率均為f₀，即：

調(diào)節(jié)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(tài)，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(dāng)傳輸數(shù)字信號“1”時，第一信號調(diào)制模塊的調(diào)制開關(guān)K_p關(guān)斷，原邊補(bǔ)償電容值為C_p1，系統(tǒng)原邊由DC-AC變換器、C_p1、L_p形成串聯(lián)回路，則原邊自然諧振頻率變?yōu)閒₁：

調(diào)整DC-AC變換器，使其頻率與f₁保持一致，此時系統(tǒng)原邊保持工作在諧振狀態(tài)。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(tǒng)自然諧振頻率點(diǎn)，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(guān)狀態(tài)。

2.2信號解調(diào)

信號正向傳輸時，信號解調(diào)在副邊的第二信號調(diào)制模塊中完成。根據(jù)前面提到的信號調(diào)頻調(diào)制方式，系統(tǒng)通過原副邊的不同工作頻率來表示數(shù)字信號“0”和“1”。對于信號解調(diào)，在系統(tǒng)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(yù)設(shè)值△f₀，則認(rèn)為收到信號“0”；而若f與f₁差值的有效值小于預(yù)設(shè)值△f₁，則認(rèn)為收到信號“1”。

系統(tǒng)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(diào)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(diào)制模塊可以用芯片檢測直接進(jìn)行信號解調(diào)。首先要先將檢測到不同頻率的電流信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號，以轉(zhuǎn)換電平，此檢測電路可用過零比較器實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換波形接入微處理器芯片(MCU)，進(jìn)行芯片解調(diào)，芯片解調(diào)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(shè)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(shí)時捕捉計(jì)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(yù)設(shè)值)，認(rèn)為接收到0，|f-f₁|<△f₁時(△f₁為預(yù)設(shè)值)，認(rèn)為接收到1，即完成信號解調(diào)。

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(diào)制的信號反向傳輸，通過改變副邊的補(bǔ)償電容來影響原邊波形，從而加載信號。

在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)副邊工作在完全諧振狀態(tài)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(tài)，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(jié)構(gòu)，使其反射到原邊的阻抗不為純阻性，則原邊的諧振狀態(tài)將被打破，原邊的輸入電壓和電流之間將產(chǎn)生相位差。

在本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)中，其原邊自然諧振頻率可由式(1)給出，在K_s導(dǎo)通時，補(bǔ)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(shí)部還是虛部均有減小，相當(dāng)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(dāng)通信信號從電能發(fā)送方傳輸?shù)诫娔芙邮辗綍r，即正向傳輸，通過改變電能傳輸?shù)碾妷夯螂娏黝l率的方式進(jìn)行調(diào)制，與此同時調(diào)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(tài)。在本實(shí)施例中，根據(jù)公式(1)-公式(4)計(jì)算得到相應(yīng)的4個參數(shù)，并將這4個參數(shù)存儲于所述第一控制器和所述第二控制器中，在進(jìn)行調(diào)制或解調(diào)時，直接讀取使用即可，因此，不需要再控制器中設(shè)置軟件來計(jì)算這4個參數(shù)。

3.1信號調(diào)制

信號反向傳輸時，信號調(diào)制在副邊的第二信號調(diào)制模塊中完成。

具體調(diào)制過程為，保持原邊的逆變頻率固定為系統(tǒng)自然諧振頻率f_p。當(dāng)傳輸數(shù)字信號“0”時，控制器控制第二信號調(diào)制模塊的信號調(diào)制開關(guān)K_s關(guān)斷，斷開增量補(bǔ)償電容C_s2，此時系統(tǒng)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(dāng)傳輸數(shù)字信號“1”時，控制器控制信號調(diào)制開關(guān)K_s導(dǎo)通，增量補(bǔ)償電容C_s2接入電路，此時副邊反射到原邊的阻抗呈現(xiàn)負(fù)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(diào)制條件下，原邊的電壓和電流的相位差發(fā)生改變，即完成調(diào)制。

3.2信號解調(diào)

信號反向傳輸時，信號解調(diào)在原邊的第一信號解調(diào)模塊中完成。

如圖4所示：

高頻逆變器輸出的電壓和電流經(jīng)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(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器、相位差產(chǎn)生器后輸出一路攜帶相位差信息的信號，而后在進(jìn)入相位差檢測電路，相位差判決器依據(jù)相位差值大小判決輸出數(shù)字信號1或0，即完成信號解調(diào)。

根據(jù)信號調(diào)制特點(diǎn)，當(dāng)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(dāng)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(dāng)檢測到相應(yīng)的相位差大于某一預(yù)設(shè)值△P₁，則認(rèn)為接受到信號“1”，當(dāng)檢測到相位差小于某一預(yù)設(shè)值△P₀，則認(rèn)為接收到信號“0”。

因此，當(dāng)通信信號從電能接收方傳輸?shù)诫娔馨l(fā)送方時，通過改變電流相位的方式進(jìn)行調(diào)制，使電能發(fā)送方能通過檢測電流的相位差變化來解調(diào)信號；其中，改變電流相位的方式具體為調(diào)整次級回路中接收線圈的諧振電容。