[发明专利]一种非接触电能与信号同步传输系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步传输系统及其控制方法，特别是一种非接触电能与信号同步传输系统及其控制方法。

背景技术

非接触电能传输技术的出现很好的解决了移动设备、矿井等某些特定环境下电能安全可靠传输的问题。在目前非接触电能传输技术广泛应用的有轨电车、手机无线充电等领域，不仅需要能量的传递为系统提供运行动力，还需要信号的同步传输来传输控制指令、反馈系统运行状态。目前广泛研究的非接触电能与信号同步传输技术主要有以下几种：

(1)增设信号耦合线圈，使电能与信号分别通过不同通道进行传输。该方法使系统的不稳定性增加，多个线圈之间的相互耦合影响了电能输出并使信号传输的误码率升高。

(2)调幅调制。通过改变逆变环节前的直流变换环节(Buck或Boost电路)中开关管的导通占空比调节系统的能量输入，然后从副边的能量信息流中提取出数字信号。该方法中的直流变换环节使系统阶数增加，增加了系统的不稳定性，且通过直接改变能量回路的电压幅值来进行信号传递影响了整个系统能量输出的稳定性。

(3)注入式调幅调制。通过耦合线圈将频率是主电路工作频率20倍的正弦波耦合在逆变电压的同向电平上进行能量信号的同步传输。该方法只在方波电压的单向电平上进行信号加载，信号传输速率较低。而且由于LC谐振网络良好的滤波特性，信号波与能量波频率相差太大而无法通过同一参数的LC谐振网络，所以副边需增设额外的信号松耦合线圈。

(4)调频调制。通过切换高频逆变环节的逆变周期来进行能量与信号的传递。该方法在系统谐振频率与载波频率相差较大时，电能输出效率严重降低。

对于方式(2)、(3)、(4)，受限于信号的传输方式，信号的传输速率一般都比较低，而且在传输信号的同时，电能传输功率受到了影响。

发明内容

本发明的目的是要提供一种非接触电能与信号同步传输系统及其控制方法，实现电能与信号的同步传输，并不增设额外的松耦合磁路机构，减少线圈之间的互感耦合，提高系统能量输出的稳定性、有效提高信号传输的速率。

本发明的目的是这样实现的：同步传输系统包括：直流电压环节、高频逆变环节、原边能量变换环节、副边能量变换环节、原边信号调制环节、副边信号解调环节及负载；高频逆变环节的输入端连接有直流电压环节；高频逆变环节的输出端并联连接有原边能量变换环节及原边信号调制环节，分别构成基波和三次谐波提取通道；原边能量变换环节与副边能量变换环节通过原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈耦合连接；原边信号调制环节与原边能量变换环节通过原边信号发射耦合线圈与原边信号拾取耦合线圈耦合连接；副边能量变换环节与副边信号解调环节通过副边信号发射耦合线圈与副边信号拾取耦合线圈耦合连接；副边能量变换环节的输出端连接有负载。

所述的直流电压环节为直流电压源。

所述的高频逆变环节为四个场效应管构成全桥逆变结构。

所述的原边能量变换环节，原边信号拾取耦合线圈与原边信号调制环节的原边信号发射耦合线圈绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成全耦合变压器；原边磁能发射线圈与副边能量变换环节的副边磁能拾取线圈呈非接触状态组成松耦合磁路机构；原边信号拾取耦合线圈、原边磁能发射线圈及原边能量谐振补偿电容串联。

所述的副边能量变换环节，副边信号发射耦合线圈与副边信号解调环节的副边信号拾取耦合线圈绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成全耦合变压器；副边磁能拾取线圈、副边信号发射耦合线圈、副边能量谐振补偿电容串联，原边能量变换环节和副边能量变换环节的固有谐振频率均为高频逆变环节输出方波电压中基波的频率，构成基波提取通道，用于传输电能。

所述的原边信号调制环节的原边信号发射耦合线圈、原边信号谐振补偿电容、调谐电感与信号控制环节串联；原边信号发射耦合线圈与原边信号谐振补偿电容的固有谐振频率为逆变环节输出方波电压中三次谐波的频率；调谐电感使整个回路工作在谐振状态，即方波电压、基波能量电流、谐波信号电流拥有相同的过零点。

所述的信号控制环节包括电路电阻R_P21、信号电阻R_P22、数字信号发生器和双向开关。