[发明专利]一种利用分布电容传输信号的水下无线电能传输系统

说明书

一种利用分布电容传输信号的水下无线电能传输系统，属于无线电能传输技术领域，包括能量传输系统和信号传输系统。能量传输系统中的发射侧高频电源与发射侧补偿网络连接，发射侧补偿网络输出的电压施加在能量耦合机构的发射线圈，能量耦合机构的接收侧接收能量并传输至接收侧补偿网络，经高频整流电路整流为负载供电；信号传输系统中的信号采集电路将采集的负载信息传输至信号调制放大电路，调制信号加载到信号耦合机构的发射侧，信号耦合机构将接收侧得到的调制信号传输至信号解调滤波电路，经解调滤波输出负载信号，实现能量与信号的同步传输。本发明系统可稳定运行于各自频率范围内；同时，信号在水下衰减较小，能高效传输。

技术领域

本发明提出一种用于水下感应式无线电能传输和利用线圈分布电容进行信号同时传输的方案，属于非电气接触电能传输技术领域。

背景技术

通过导线进行电能传输是最常见的供电方式。非接触的无线电能传输相比有线电缆的电能传输方式在应用时具有灵活易用的特点，特别是在潮湿、水下或易燃易爆等特殊场合具有更加显著的优越性。对于工作在水下环境中的移动设备，在需要更换时，水下插拔具有较大的安全隐患。实际工作中，感应耦合式无线电能传输系统受运行工况和环境变化等因素影响较大，如发射、接收线圈位置变化和系统工作频率漂移等。在长时间工作下，线圈及开关管的发热以及老化都会对无线电能系统产生不利影响，造成传输效率及功率的下降。为保证无线电能传输系统的稳定性，需要对系统进行闭环控制。因此，在无线电能传输系统中，除电能传输通道外，还需增设信号传输。

非电气接触电能传输技术利用电磁感应原理进行传输。作为特殊的电源装置，系统的传输功率、效率以及系统鲁棒性都备受关注。在实际应用中，应在保证安全性和可靠性的基础上，提高系统的传输功率及效率。在闭环控制中，需要实时采集电路工作电流、电压值，并将得到的信号传输至控制器。从国内外的研究现状来看，水下进行能量与信号同时传输，现有的解决方法有两种，一种是增加额外的信号传输通道用于传输信息，实现能量与信号的独立传输。如采用Zigbee或红外射频进行信号传输的方式。但该方法系统复杂、成本较高、数据传输速率较慢。另一种方法是采用两对线圈，分别用作信号传输与能量传输。用作信号传输的线圈，流过其电流频率较高、电流较大，在水下会产生较大的涡流损耗，对信号通道传输质量影响较大。同时，多线圈之间存在相互耦合，能量与信号之间存在较大的干扰。采用磁场与电场相结合的方式进行电能与信号同步传输，可以有效地解决仅依靠磁场进行无线传输的弊端。在水下传输时，由于海水具有较大的电导率，与空气中相比，线圈之间以及线圈与海水之间均存在分布电容。因此提出一种利用分布电容进行信号传输，耦合线圈进行能量传输的方案。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有无线电能传输系统中能量与信号同时传输时通道干扰较大的问题，该方案可以实现能量与信号的独立同时传输，提高无线电能传输系统的稳定性。本发明信号传输通路传输频率高，采用频分技术，在感应式无线电能传输系统中，能量通道与信号传输通道频率无干扰，系统可稳定运行于各自频率范围内；同时，利用电场式无线电能传输技术进行信号传输，信号在水下衰减较小，能高效传输；充分利用能量传输通路传输功率大、信号射频段传输通道损耗较小的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用分布电容传输信号的水下无线电能传输系统，包括能量传输系统和信号传输系统，将能量接收侧采集得到的负载信号传输至能量发射侧进行系统的闭环控制，提高系统运行稳定性和鲁棒性。

所述的能量传输系统包括发射侧高频电源、发射侧补偿网络、能量耦合机构、接收侧补偿网络、高频整流电路和负载。

所述的发射侧高频电源包括工频电源，低频整流电路和高频逆变电路。高频逆变电源为能量耦合机构提供所需的高频能量，将工频电源经低频整流电路整流得到的直流电压，所得直流电压由高频逆变电路逆变为高频交流后传输至发射侧补偿网络，频率通常为kHz。所述的发射侧高频逆变电源包括Royer振荡电路、E类、半桥、全桥、推挽式逆变电路等。根据所需传输功率等级选取不同的逆变拓扑结构，并采用软开关技术减小开关管导通与关断时的损耗。