一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统

1.本发明涉及功率与数据无线并行传输技术领域，尤其涉及一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统。


背景技术：

2.目前实现无线充电中功率与数据的并行传输主要有三种方法，分别是磁场共享通道式、磁场分离通道式和磁场电场混合式。磁场共享通道式通过调制现有功率通道上的数据，通过功率耦合线圈传输数据，不需额外为信号传输增加耦合机构，但电能传输与信号传输相互干扰较大。磁场分离通道式通过增加一对额外的数据耦合线圈进行数据传输，这种方式虽电能传输与信号传输相互干扰较小，但需额外为信号传输增加耦合机构，因此，部件的数量、尺寸和成本相应地增加。磁场电场混合式通过电场(ef)传输数据，同时通过磁场(mf)传输功率。由于数据传输通道与功率传输通道分离，因此可以大大降低串扰。而且这种方法也不需要额外的线圈来建立数据传输通道，从而节省了额外的板载空间。
3.但目前磁场电场混合式只用于静态传输，而动态无线充电因为接收端的动态特性，需要进行特别设计，才能保证在接收端的移动过程中功率和数据的传输质量，目前缺乏这样一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统。


技术实现要素：

4.本发明提供一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，解决的技术问题在于：如何实现动态无线充电中的功率与数据并行传输。
5.为解决以上技术问题，本发明提供一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，设有耦合机构，所述耦合机构包括发射导轨和接收器，其关键在于：所述发射导轨包括等距离顺序排置的n个发射器，n≥3；每个所述发射器包括串联连接的第一q型线圈、第一dd型线圈和第二dd型线圈；当前所述发射器的第二dd型线圈置于当前所述发射器的第一q型线圈的中空区域中；当前所述发射器的第一dd型线圈置于前一个所述发射器的第二dd型线圈上；所述接收器包括第二q型线圈。
6.优选的，所述发射导轨还包括位于n个所述发射器下的第一金属板，所述接收器还包括位于所述第二q型线圈上的第二金属板。
7.优选的，位于首段的所述发射器不设置所述第一dd型线圈，位于末段的得到发射器不设置所述第二dd型线圈。
8.优选的，所述第一q型线圈和所述第二q型线圈大小相同；所述第一dd型线圈和所述第二dd型线圈采用相同的dd型线圈同向叠置。
9.优选的，该系统还设有位于原边侧的直流电源、高频逆变器和n个原边补偿电路，n个所述原边补偿电路并联在所述高频逆变器的输出端，n个所述原边补偿电路与n个所述发射器一一对应串联连接；
10.该系统还设有与所述第二q型线圈连接的副边补偿网络。
11.优选的，该系统还设有n个控制开关，n个控制开关一一连接在所述高频逆变器的输出端与n个所述原边补偿电路之间。
12.优选的，该系统还设有位于副边侧的数据发送电路和位于原边侧的数据接收电路；
13.所述数据发送电路连接所述第二金属板和所述第二q型线圈，用于发送数据；
14.所述数据接收电路连接所述第一金属板和每个所述发射器，用于接收数据。
15.优选的，该系统还设有位于副边侧连接所述数据发送电路的副边控制器，和位于原边侧连接所述数据接收电路的原边控制器；所述副边控制器用于采集系统输出电压并输入所述数据发送电路，所述数据发射线路用于调制所述系统输出电压生成对应的数据信号，通过所述第二金属板、所述第一金属板、所述第二q型线圈、带电的所述发射器之间形成的电场耦合通道发送至所述数据接收电路；
16.所述数据接收电路对所述数据信号进行解调，并将解调信号输入所述原边控制器，所述原边控制器根据所述解调信号和参考电压生成相应的导通角作用于所述高频逆变器。
17.优选的，该系统在每个所述发射器处还设有位置传感器，所述位置传感器检测到所述接收器与自身对应的所述发射器对准时，发送位置对准信号至所述原边控制器，所述原边控制器当收到所述位置对准信号时，则控制下一个所述发射器所对应的所述控制开关闭合，而前一个所述发射器所对应的所述控制开关断开。
18.优选的，所述原边补偿电路采用lcc补偿网络，所述副边补偿网络采用串联电容；
19.该系统可获得的能量传输输出电压u
l
表示为：
[0020][0021]
其中，l
ti
为第i个发射器连接的原边补偿电路中的补偿线圈，i＝1,2,
…
,n，m
trs
表示带电的所述发射器和所述接收器之间的总互感。
[0022]
本发明提供的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，将发射导轨设计为包括等距离顺序排置的n个发射器，每个发射器包括串联连接的第一q型线圈、第一dd型线圈和第二dd型线圈，当前发射器的第二dd型线圈置于当前发射器的第一q型线圈的中空区域中；当前所述发射器的第一dd型线圈置于前一个所述发射器的第二dd型线圈上，如此功率(电力/电能)通过磁耦合器(原副边耦合线圈之间)产生的相对低频的磁场传输，而数据通过由等效寄生电容器(原副边线圈之间、原副边金属板之间)组成的高频电场传输，由于磁耦合器、调谐电容器和相应的原副边数据传输电路、原副边控制器、控制开关的精细设计，可以在接收器移动时动态构建功率和数据传输通道，且功率和数据传输之间互不干扰。本系统设置的原副边数据传输电路、原副边控制器，成功地建立了电压输出闭环控制，确保了实时监测、信息交换和稳定的输出调节。在控制逻辑的帮助下，系统在负载变化或输入扰动变化等不同条件下表现出良好的鲁棒性。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例提供的应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统的耦合机构的立体图；
[0024]
图2是本发明实施例提供的图1所示耦合机构的层次关系图；
[0025]
图3是本发明实施例提供的应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统的电路结构图；
[0026]
图4为本发明实施例提供的开关动作(关闭l
p2
和打开l
p4
)的三种连续充电状态图；
[0027]
图5为本发明实施例提供的数据传输通道的简化电路图；
[0028]
图6为本发明实施例提供的数据传输电路的等效电路图；
[0029]
图7为本发明实施例提供的不同的模式下数据传输的典型波形图；
[0030]
图8为本发明实施例提供的负载r
l
从5ω变为10ω并再次返回5ω时的动态响应图；
[0031]
图9为本发明实施例提供的当接收器沿着发射导轨移动时系统的动态响应图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
[0033]
本发明实施例提供一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，设有耦合机构。图1所示为耦合机构的立体图，图2所示为耦合机构的层次图。如图1、图2所示，耦合机构包括发射导轨和接收器，发射导轨包括等距离顺序排置的n个发射器(本实施例均以发射器设有五个为例进行说明)，n≥3。每个发射器包括串联连接的第一q型线圈、第一dd型线圈和第二dd型线圈；当前发射器的第二dd型线圈置于当前发射器的第一q型线圈的中空区域中；当前发射器的第一dd型线圈置于前一个发射器的第二dd型线圈上。可以看到，位于首段的发射器不设置第一dd型线圈，位于末段的得到发射器不设置第二dd型线圈，因为首尾的两组发射器，只有一个相邻的线圈。因此只需要一个串联的dd就可消除相邻线圈之间的交叉耦合。接收器包括第二q型线圈。
[0034]
为了实现稳定、高效的传输，第一q型线圈和第二q型线圈大小相同，第一dd型线圈和第二dd型线圈采用相同的dd型线圈同向叠置，采用相同的dd型线圈同向叠置，就是为了产生一个正互感，以消除相邻线圈之间的负互感。(可以在设定尺寸下，改变dd线圈匝数，以得到合适的正互感，消除相邻线圈之间的交叉耦合)。以两组发射器(第一组和第二组)为例，在两个单极线圈(l
pq1
和l
pq2
)之间存在负互感。这种负互感可以被两个dd线圈(l
pq1dd2
和l
pq2dd1
)引起的正互感抵消。因此，可以消除发射侧的自交叉耦合，从而有利于补偿电路的设计。
[0035]
另外，发射导轨还包括位于n个发射器下的第一金属板，接收器还包括位于第二q型线圈上的第二金属板。
[0036]
图1、图2还示出了一些尺寸参数(五个发射器的导轨总长为160cm，第一、第二q型线圈的尺寸为30*30cm，金属板的尺寸需要大于对应的发射器和接收器)，但这仅是一种示例，根据实际情况可任意设置。
[0037]
图1、图2中，l
pq1dd2
、l
pq1
分别表示位于首段的第一个发射器l
p1
的第二dd型线圈和第一q型线圈，l
pq2dd1
、l
pq2dd2
、l
pq2
分别表示第二个发射器l
p2
的第一dd型线圈、第二dd型线圈和第一q型线圈，l
pq3dd1
、l
pq3dd2
、l
pq3
分别表示第三个发射器l
p3
的第一dd型线圈、第二dd型线圈
和第一q型线圈，l
pq4dd1
、l
pq4dd2
、l
pq4
分别表示第四个发射器l
p4
的第一dd型线圈、第二dd型线圈和第一q型线圈，l
pq5dd1
、l
pq5
分别表示位于末段的第五个发射器l
p5
的第一dd型线圈和第一q型线圈，ls表示第二q型线圈即接收线圈。因此，每个发射器的电感可以计算为：
[0038][0039]
其中i＝1,2,
…
,5，分别对应第一个至第五个发射器。不需要添加线圈l
pq1dd1
和l
pq5dd2
，因为它们位于第一个和最后一个发射器中。以两组发射器(t
x
#1和t
x
#2)为例，在两个单极线圈(l
pq1
和l
pq2
)之间存在负互感，这种负互感可以被两个dd型线圈(l
pq1dd2
和l
pq2dd1
)引起的正互感抵消。因此，可以消除发射侧的自交叉耦合，从而有利于补偿电路的设计。表1中列出了l
p1
、l
p2
、l
p3
、l
p4
、l
p5
之间测得的自交叉耦合，表1的数据表明自耦合可忽略不计。
[0040]
表1测量的自交叉耦合(μh)
[0041][0042]
图3所示为本系统的电路结构。如图3所示，本系统还设有位于原边侧的直流电源(u
dc
)、高频逆变器(q1～q4)和n个原边补偿电路(采用lcc补偿网络)，n个原边补偿电路并联在高频逆变器的输出端，n个原边补偿电路与n个发射器一一对应串联连接。该系统还设有与第二q型线圈连接的副边补偿网络(采用串联电容cs)、与副边补偿网络连接的整流器(d1～d4)、与整流器连接的滤波电容(c
l
)以及与滤波电容连接的负载(r
l
)。该系统还设有n个控制开关(si，i＝1,2,
…
,5)，n个控制开关一一连接在高频逆变器的输出端与n个原边补偿电路之间。u
in
为逆变器输出电压，l
ti
(i＝1,2,
…
,5)、l
pi
(i＝1,2,3,4,5)和ls分别是补偿线圈、发射器线圈和接收器线圈。c
ti
、c
pi
、cs是相应的补偿电容，其满足以下等式：
[0043][0044]
其中ω
p
＝2πf
p
是功率传输角频率。出于工业考虑，功率传输的工作频率(f
p
)为85khz。
[0045]
如图3所示，该系统还设有位于副边侧的数据发送电路和位于原边侧的数据接收电路；数据发送电路连接第二金属板和第二q型线圈，用于发送数据；数据接收电路连接第一金属板和每个发射器，用于接收数据。
[0046]
如图3所示，该系统还设有位于副边侧连接数据发送电路的副边控制器，和位于原边侧连接数据接收电路的原边控制器；副边控制器用于采集系统输出电压并输入数据发送电路，数据发射线路用于调制系统输出电压生成对应的数据信号，通过第二金属板、第一金属板、第二q型线圈、带电的发射器之间形成的电场耦合通道发送至数据接收电路；
[0047]
数据接收电路对数据信号进行解调，并将解调信号输入原边控制器，原边控制器根据解调信号和参考电压生成相应的导通角作用于高频逆变器。
[0048]
该系统在每个发射器处还设有位置传感器，位置传感器检测到接收器与自身对应的发射器对准时，发送位置对准信号至原边控制器，原边控制器当收到位置对准信号时，则
控制下一个发射器所对应的控制开关闭合，而前一个发射器所对应的控制开关断开。
[0049]
如图3所示，在当前位置(接收器位于l
p2
与l
p3
之间)，数据传输基于等效寄生电容c
s2
(l
p2
与ls之间形成的等效寄生电容)、c
s3
(l
p3
与ls之间形成的等效寄生电容)和cg(两块金属板之间形成的等效寄生电容)，这将在后续进一步阐述。对于数据发送电路，它由调制模块和功率放大器组成，而数据接收电路包括带通滤波器、运算放大器和解调模块。在本实施例中，使用ask(幅移键控)调制方法来生成数据载波，数据载波可以表示为：
[0050][0051]
其中fd和a分别是数据载波的工作频率和幅度。
[0052]
图3也显示了系统的控制过程，其中δ表示作为控制变量的导通角。有两个控制器，即原边控制器(主控制器)和副边控制器(辅助控制器)。次级控制器在分压器之后通过使用adc模块对系统输出电压u
l
进行采样，然后将该信息注入数据传输通道。在数据传输的帮助下，这些信息可以从次级侧无线传输到初级侧。主控制器在数据解调之后拾取u
l
的信息。反馈电压u
l
和参考电压u
lref
之间的误差随后被发送到比例-积分控制器(pi控制器)，用于计算导通角δ。最后，psm控制器产生栅极驱动信号来控制高频逆变器。
[0053]
本实施例以三种连续充电状态为例，详细阐述了控制开关的开关动作，如图4所示。
[0054]
图4的(a)展示了开关动作(关闭l
p2
和打开l
p4
)定时之前的线圈耦合图。在这种情况下，只有发射器#2和#3通电。因此，通过l
p2
(l
p3
)和ls之间的相互耦合来传输功率，而通过l
p2
(l
p3
)、ls和两个金属板之间的等效寄生电容来传输数据。
[0055]
图4的(b)示出了开关动作(关闭l
p2
和打开l
p4
)时的线圈耦合图。当检测到接收器线圈(ls)与发射器#3(l
p3
)完全对准时，发射器#2(l
p2
)将被关断，而发射器#4(l
p4
)将被接通。
[0056]
图4的(c)展示了开关动作(l
p2
和打开l
p4
)定时后的线圈耦合图。只有发射器#3和#4通电。因此，通过l
p3
(l
p4
)和ls之间的相互耦合来传输功率，而通过l
p2
(l
p3
)、ls和两个金属板之间的等效寄生电容来传输数据。
[0057]
其余分段充电部分的开关动作可以以相同的方式完成，这可以通过总互感m
trs
的变化来进一步反映：
[0058][0059]
其中m
tri
表示ls和l
pi
之间的互感(i＝1,2,3,4,5)。
[0060]
为了清楚地说明耦合机构中的等效寄生电容，对图3中的数据传输通道进行简化，得到图5。特别地，c
si
、c
s(i+1)
和cg是构成数据传输路径的主要电容器。c
bi
和c
b(i+1)
是分流电容器，其仅略微减少数据载波。为了简化分析，只考虑主等效电容c
si
、c
s(i+1)
和cg。所提出的耦合机构可以在接收器移动时动态地形成数据传输通道。
[0061]
数据传输的稳定运行高度依赖于cg和cm的值(c
si
和c
s(i+1)
的并行值)，可以进一步表示为：
[0062][0063]
下面进行能量传输、数据传输分析。
[0064]
(1)能量传输
[0065]
对图3的功率部分进行分析，可以得到：
[0066][0067]
从上式可知u
l
与负载无关。一旦确定了u
dc
和l
ti
，u
l
的值仅取决于m
trs
。只要m
trs
设计良好，u
l
就可以保持稳定。
[0068]
(2)数据传输
[0069]
图6为数据传输电路的等效电路图，其中ud、u
od
分别表示注入的数据载波和接收的数据载波。r
eq
是整流器的等效输入电阻，rd是带通滤波器的等效输入电阻。在由ld和cd构成的lc调谐电路以最大化接收数据载波，ωd为数据载波频率。对图6的数据传输部分进行分析，可以得到：
[0070][0071]
从该式可以看出，一旦系统参数确定，u
od
在运动过程中主要受到cm和cg的影响。只要cm和cg是稳定的，u
od
也是稳定的。
[0072]
为验证上述方法，搭建了电路仿真模型。其相关仿真结果如下所示：
[0073]
图7显示了数据的典型波形，其中的(a)对应电源和数据传输都在使用中，(b)对应数据传输处于服务状态、电源传输处于备用状态。其中1、2、3、4通道分别代表输入数据(input data)、调制数据信号(u
mo
)、接收数据信号(u
od
)和输出数据(output data)。如图7的(a)和(b)所示，数据传输容量远高于功率传输干扰，这意味着功率传输的状态几乎不会影响数据传输。
[0074]
图8描述了负载r
l
从5ω变为10ω并再次返回5ω时的动态响应。图8的结果表明，得益于所提供的闭环控制系统，u
l
在48v左右保持稳定，具有轻微的过冲/下冲。
[0075]
图9说明了当接收器沿着发射导轨移动时系统的动态响应。负载r
l
固定在5ω。从图9可以看出，在运动过程中，输出电压相对稳定，波动在
±
2％以内。虽然接收侧的信号幅度略有波动，但并不影响数据解调，能够保证数据的正常传输。
[0076]
综上，本发明实施例提供的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，将发射导轨设计为包括等距离顺序排置的n个发射器，每个发射器包括第一q型线圈和置于第一q型线圈中空区域中、上下叠置的第一dd型线圈和第二dd型线圈，q型线圈、第一dd型线圈和第二dd型线圈串联连接，如此功率(电力/电能)通过磁耦合器(原副边耦合线圈之间)产生的相对低频的磁场传输，而数据通过由等效寄生电容器(原副边线圈之间、原副边金属板之间)组成的高频电场传输，由于磁耦合器、调谐电容器和相应的原副边数据传输电路、原副边控制器、控制开关的精细设计，可以在接收器移动时动态构建功率和数据传输通道，且功率和数据传输之间互不干扰。本系统设置的原副边数据传输电路、原副边控制器，
成功地建立了电压输出闭环控制，确保了实时监测、信息交换和稳定的输出调节。在控制逻辑的帮助下，系统在负载变化或输入扰动变化等不同条件下表现出良好的鲁棒性。
[0077]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，设有耦合机构，所述耦合机构包括发射导轨和接收器，其特征在于：所述发射导轨包括等距离顺序排置的n个发射器，n≥3；每个所述发射器包括串联连接的第一q型线圈、第一dd型线圈和第二dd型线圈；当前所述发射器的第二dd型线圈置于当前所述发射器的第一q型线圈的中空区域中；当前所述发射器的第一dd型线圈置于前一个所述发射器的第二dd型线圈上；所述接收器包括第二q型线圈。2.根据权利要求1所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：所述发射导轨还包括位于n个所述发射器下的第一金属板，所述接收器还包括位于所述第二q型线圈上的第二金属板。3.根据权利要求2所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：位于首段的所述发射器不设置所述第一dd型线圈，位于末段的所述发射器不设置所述第二dd型线圈。4.根据权利要求2所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：所述第一q型线圈和所述第二q型线圈大小相同；所述第一dd型线圈和所述第二dd型线圈采用相同的dd型线圈同向叠置。5.根据权利要求4所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：该系统还设有位于原边侧的直流电源、高频逆变器和n个原边补偿电路，n个所述原边补偿电路并联在所述高频逆变器的输出端，n个所述原边补偿电路与n个所述发射器一一对应串联连接；该系统还设有与所述第二q型线圈连接的副边补偿网络。6.根据权利要求5所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：该系统还设有n个控制开关，n个控制开关一一连接在所述高频逆变器的输出端与n个所述原边补偿电路之间。7.根据权利要求6所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：该系统还设有位于副边侧的数据发送电路和位于原边侧的数据接收电路；所述数据发送电路连接所述第二金属板和所述第二q型线圈，用于发送数据；所述数据接收电路连接所述第一金属板和每个所述发射器，用于接收数据。8.根据权利要求7所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：该系统还设有位于副边侧连接所述数据发送电路的副边控制器，和位于原边侧连接所述数据接收电路的原边控制器；所述副边控制器用于采集系统输出电压并输入所述数据发送电路，所述数据发射线路用于调制所述系统输出电压生成对应的数据信号，通过所述第二金属板、所述第一金属板、所述第二q型线圈、带电的所述发射器之间形成的电场耦合通道发送至所述数据接收电路；所述数据接收电路对所述数据信号进行解调，并将解调信号输入所述原边控制器，所述原边控制器根据所述解调信号和参考电压生成相应的导通角作用于所述高频逆变器。9.根据权利要求8所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：该系统在每个所述发射器处还设有位置传感器，所述位置传感器检测到所述接收器与自身对应的所述发射器对准时，发送位置对准信号至所述原边控制器，所述原边控制
器当收到所述位置对准信号时，则控制下一个所述发射器所对应的所述控制开关闭合，而前一个所述发射器所对应的所述控制开关断开。10.根据权利要求5所述的一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，其特征在于：所述原边补偿电路采用lcc补偿网络，所述副边补偿网络采用串联电容；该系统可获得的能量传输输出电压u
l
表示为：其中，l
ti
为第i个发射器连接的原边补偿电路中的补偿线圈，i＝1,2,
…
,n，m
trs
表示带电的所述发射器和所述接收器之间的总互感。

技术总结
本发明涉及功率与数据无线并行传输技术领域，具体公开了一种应用于动态无线充电的功率与数据并行传输系统，将发射导轨设计为包括等距离顺序排置的N个发射器，N≥3；每个发射器包括串联连接的第一Q型线圈、第一DD型线圈和第二DD型线圈；当前发射器的第二DD型线圈置于当前发射器的第一Q型线圈的中空区域中；当前发射器的第一DD型线圈置于前一个发射器的第二DD型线圈上，功率通过磁耦合器产生的相对低频的磁场传输，而数据通过由等效寄生电容器组成的高频电场传输，由于磁耦合器、调谐电容器和相应的原副边数据传输电路、原副边控制器、控制开关的精细设计，可以在接收器移动时动态构建功率和数据传输通道，且功率和数据传输之间互不干扰。间互不干扰。间互不干扰。


技术研发人员：沈涛 蒙锋 董金熹 刘浠流 丁惠贤 陈冠霖 苏东 肖静 李小飞 吴晓锐 郑帆 韩帅 林锐 龚文兰 陈绍南 吴宁
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院 重庆大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/23