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CN108736927B - 一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统及方法 - Google Patents

一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统及方法，能够自动匹配多个不同的无线能量传输单元，完成一个发送端与多个接收端信息通信、能量传输与故障诊断等功能。在多通道能量传输中必然会出现在非通信时间内新加入接收端发出功率的情况，不同传输通道具有各自不同的功率请求，为了满足不同通道的功率请求便需要开启、关断与调节原边输出功率，使得传输功率与效率能够保持相对最高水平，保证不低于设计值。通过功率/信号切换开关，可实现分时信号和能量传输，另外多通道无线能量传输系统可自适应接收端变化，可根据需要设置接收端线圈的数量，实现一对多的无线能量传输，使用更加灵活。

Description

一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统及方法
技术领域
本发明属于电气领域，具体涉及一种用于线圈通讯的多通道无线能量传输的控制方法。
背景技术
无线电能传输技术是一种新型的电能传输方式，它是相对于传统的利用导线连接的电能传输方式而言的，是指电能从电源到负载的一种没有直接的电气接触的能量传输方式。无线能量传输技术现已在智能手机、现代家居、纯电动汽车等领域受到普遍关注，并在多方面得到应用。无线电能传输技术在消费电子领域的应用发展迅猛，目前已经形成了行业标准，手机无线充电技术已经成熟并已广泛应用、电脑和智能家居方面即将实现无线电能传输技术的产业化应用；无线电能传输技术在医疗设备应用主要集中植入式医疗设备的无线供电中，诸如心脏起搏器、全人工心脏、人工耳蜗和视网膜假体等；无线电能传输技术在电动汽车的无线充电也是当前研究热点；随着无线电能传输技术不断的成熟和发展，其在工业领域也有非常广阔的应用前景。在工业上一些特殊场合如化工设备中的检测装置、水下机器人、分布式传感器的供电问题等。
但目前无线能量传输应用条件都相对单一固定，通常发送端和接收端一一对应，不具有普遍性和通用性。特别是随着无线能量传输需求的发展而出现的多个能量传输请求出现时，一个或多个能量发射器无法很好的协调以同时满足多个请求，又或者需要在能量传输线圈外额外加入通讯模块或线圈来辅助通讯，增加系统体积与成本。尤其在空间领域中多通道无线能量传输情况变化更为复杂，需要通过实时通讯来判断发送端与接收端的变化来不断适应多个无线能量传输通道内的变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统及方法，该系统及方法能够实现多通道能量传输前与工作中的功率调节和信息传递，提高系统输出功率与效率。
本发明所采用的技术方案是：一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统，包括发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器；发送端控制器接收功率源发送的电能；发送端控制器发送高频交流电或载波信号至发送端线圈；发送端线圈在高频交流电或载波信号作用下与接收端线圈产生电磁感应，将能量/信号传送至接收端线圈，接收端线圈根据实际需要配置1个或多个，同时根据接收端线圈数量配置相同数量的接收端控制器和用电设备；第i个接收端线圈携带高频交流电或载波信号发送至第i个接收端控制器，其中，i为正整数；第i个接收端控制器将从第i个接收端线圈接收的高频交流电经过整流后发送给第i个用电设备，并采集第i个接收端线圈的输出电压电流，计算接收端线圈的功率和效率。
所述发送端控制器包含高频逆变电路模块、发送端信号调理电路模块、发送端功率/信号切换开关电路模块、发送端电压电流采样电路模块、发送端下位机模块；高频逆变电路模块将功率源发送的直流电转化为设定频率的高频交流电；发送端信号调理电路模块将发送端下位机模块产生的数字信号转化为载波信号；发送端电压电流采样电路模块采集发送端线圈输出的电压和电流，发送至发送端下位机模块；发送端功率/信号切换开关电路模块切换能量传输通道与通讯传输通道，当发送端功率/信号切换开关模块切换至功率端时，将高频逆变电路产生的高频交流电发送给发送端线圈，当发送端功率/信号切换开关模块切换至信号端时，将发射端信号调理电路模块产生的载波信号发送给发送端线圈；发送端下位机模块完成发送端功率、效率计算，将所需要传输的信息传化为带有标号的字段进行传输，字段包括起始位、多位数据、终止位与校验位，将字段打包发送至发送端信号调理电路模块。
所述接收端控制器包含接收端功率/信号切换开关、整流电路、接收端信号调理电路、接收端电压电流采样电路、接收端下位机模块；接收端功率/信号切换开关电路用于切换能量传输通道与通讯传输通道，接收端功率/信号切换开关切换至功率端时，将接收端线圈接收的高频交流电发送给整流电路；接收端功率/信号切换开关切换至信号端时，将接收端线圈接收的载波信号发送给接收端信号调理电路；整流电路将高频交流电变换为直流电，输出给用电设备；接收端信号调理电路将载波信号还原为数字信号，发送给接收端下位机模块；接收端电压电流采样电路采集接收端线圈的输出电压电流发送给接收端下位机模块；接收端下位机模块计算接收端线圈的功率和效率，并根据接收到的数字信号进行相应处理。
一种使用带有通讯功能的多通道无线能量传输系统进行无线能量传输的方法，包括步骤如下：
步骤1：开启发送端控制器、i个接收端控制器，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关均切换至信号端；
步骤2：由发送端控制器循环检测是否存在接收端信号回馈，接收端包括接收端线圈、接收端控制器；
如果存在回馈信号则进入步骤3；如果没有信号反馈则返回步骤1；
步骤3：发送端控制器接收到信息后，判断接收端类型，依据接收端类型和数量确定能量传输方式与定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定发送端传输功率设定；
步骤4：发送端控制器和接收端控制器完成信号握手后，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至能量传输通道，根据步骤3设定的功率大小、时间间隔进行无线能量传输；
步骤5：发送端控制器检测能量输出是否发生异常变化，如无异常进入步骤6，如有异常则进入步骤8；
步骤6：发送端控制器根据步骤4设定的时间间隔和功率大小同时向多个接收端控制器传输能量；当第i个接收端控制器能量传输设定时间到达时，第i个接收端控制器通过接收端功率/信号切换开关关闭能量传输通道，开启通讯传输通道，传输电压、电流数值，并根据是否有需求传输用户自定义数据；
步骤7：通讯时间结束后，第i个接收端控制器处于待机状态，退出无线能量传输模式；发送端控制器继续向剩余的接收端控制器进行无线能量传输，直至所有的接收端控制器设定时间到达，均进入待机状态；工作结束；
步骤8：将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至通讯传输通道，关闭能量传输通道；
步骤9：发送端控制器对故障信息进行判别，若判别为系统故障则停机，工作结束；若判别为有新接收端加入，则进入步骤10；
步骤10：发送端控制器接收到新接收端控制器信息，依据接收端定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定原边传输功率设定；
步骤11：发送端控制器将新接入的接收端控制器的传输功率和时间间隔纳入控制序列，开始能量传输，进入步骤4。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的多通道无线能量传输存在多个接收端的分时加入与撤出，加入线圈通讯功能便是设定与协调功率请求与输出时间间隔。在多通道能量传输中必然会出现在非通信时间内新加入接收端发出功率的情况，不同传输通道具有各自不同的功率请求，为了满足不同通道的功率请求便需要开启、关断与调节原边输出功率，使得传输功率与效率能够保持相对最高水平，保证不低于设计值。
(2)本发明在多通道无线能量传输中高效的线圈利用，既能够满足能量传输，又能够确保通讯正常，提高了多通道无线能量传输在不同工作条件下的适应能力，在降低成本的同时极大的减小了系统体积。
(3)本发明通过功率/信号切换开关，可实现分时信号和能量传输，另外多通道无线能量传输系统可自适应接收端变化，可根据需要设置接收端线圈的数量，实现一对多的无线能量传输，使用更加灵活。
附图说明
图1为本发明的一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统的组成框图。
图2为本发明的发送端控制器的组成框图。
图3为本发明提出的接收端控制器的组成框图。
图4为本发明的一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统，包括发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器；发送端控制器接收功率源发送的电能；发送端控制器发送高频交流电或载波信号至发送端线圈；
如图2所示，发送端控制器包含高频逆变电路模块、发送端信号调理电路模块、发送端功率/信号切换开关电路模块、发送端电压电流采样电路模块、发送端下位机模块；高频逆变电路模块将功率源发送的直流电转化为设定频率的高频交流电；发送端信号调理电路模块将发送端下位机模块产生的数字信号转化为载波信号；发送端电压电流采样电路模块采集发送端线圈输出的电压和电流，发送至发送端下位机模块；发送端功率/信号切换开关电路模块切换能量传输通道与通讯传输通道，当发送端功率/信号切换开关模块切换至功率端时，将高频逆变电路产生的高频交流电发送给发送端线圈，当发送端功率/信号切换开关模块切换至信号端时，将发射端信号调理电路模块产生的载波信号发送给发送端线圈；发送端下位机模块完成发送端功率、效率计算，将所需要传输的信息传化为带有标号的字段进行传输，字段包括起始位、多位数据、终止位与校验位，将字段打包发送至发送端信号调理电路模块。
发送端线圈在高频交流电或载波信号作用下与接收端线圈产生电磁感应，将能量/信号传送至接收端线圈，接收端线圈根据实际需要配置1个或多个，同时根据接收端线圈数量配置相同数量的接收端控制器和用电设备；第i个接收端线圈携带高频交流电或载波信号发送至第i个接收端控制器，其中，i为1,2,3……N，N为正整数；第i个接收端控制器将从第i个接收端线圈接收的高频交流电发送给第i个用电设备，并采集第i个接收端线圈的输出电压电流，计算接收端线圈的功率和效率，并根据接收到的数字信号进行相应处理。
如图3所示，接收端控制器包含接收端功率/信号切换开关、整流电路、接收端信号调理电路、接收端电压电流采样电路、接收端下位机模块；接收端功率/信号切换开关电路用于切换能量传输通道与通讯传输通道，接收端功率/信号切换开关切换至功率端时，将接收端线圈接收的高频交流电发送给整流电路；接收端功率/信号切换开关切换至信号端时，将接收端线圈接收的载波信号发送给接收端信号调理电路；整流电路将高频交流电变换为直流电，输出给用电设备；接收端信号调理电路将载波信号还原为数字信号，发送给接收端下位机模块；接收端电压电流采样电路采集接收端线圈的输出电压电流发送给接收端下位机模块；接收端下位机模块计算接收端线圈的功率和效率，并根据接收到的数字信号进行相应处理，例如，记录无线能量传输时间。
如图4所示，使用带有通讯功能的多通道无线能量传输系统进行无线能量传输的方法，包括步骤如下：
步骤1：开启发送端控制器、i个接收端控制器，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关均切换至信号端；
步骤2：由发送端控制器循环检测是否存在接收端信号回馈，接收端包括接收端线圈、接收端控制器；
如果存在回馈信号则进入步骤3；如果没有信号反馈则返回步骤1；
步骤3：发送端控制器接收到信息后，判断接收端类型，依据接收端类型和数量确定能量传输方式与定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定原边传输功率设定；
步骤4：发送端控制器和接收端控制器完成信号握手后，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至能量传输通道，根据步骤3设定的功率大小、时间间隔进行无线能量传输；
步骤5：发送端控制器检测能量输出是否发生异常变化，如无异常进入步骤6，如有异常则进入步骤8；
步骤6：发送端控制器根据步骤4设定的时间间隔和功率大小同时向多个接收端控制器传输能量；当第i个接收端控制器能量传输设定时间到达时，第i个接收端控制器通过接收端功率/信号切换开关关闭能量传输通道，开启通讯传输通道，传输电压、电流数值，并根据是否有需求传输用户自定义数据；
步骤7：通讯时间结束后，第i个接收端控制器处于待机状态，退出无线能量传输模式；发送端控制器继续向剩余的接收端控制器进行无线能量传输，直至所有的接收端控制器设定时间到达，均进入待机状态；工作结束；
步骤8：将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至通讯传输通道，关闭能量传输通道；
步骤9：发送端控制器对故障信息进行判别，若判别为系统故障则停机，工作结束；若判别为有新接收端加入，则进入步骤10；
步骤10：发送端控制器接收到新接收端控制器信息，依据接收端定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定原边传输功率设定；
步骤11：发送端控制器将新接入的接收端控制器的传输功率和时间间隔纳入控制序列，开始能量传输，进入步骤4。
实施例：
接收端的用电设备类型会使工作流程略有差异，以接收端用电设备1,用电设备2均为可充电电池为例，系统工作过程如下：
步骤1：初始设置：开启发送端控制器、接收端控制器1、接收端控制器2，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至通讯通道，关闭能量传输通道，由发送端控制器循环检测是否存在无线能量传输的接收端信号回馈；
步骤2：信号回馈检测：检测无线能量传输的接收端1、接收端2信号回馈，回馈信号会带有接收端1、接收端2身份标识、功率需求、故障信息等信息，进入步骤3；
步骤3：发送端设置：发送端控制器接收到信息后判断接收端1,接收端2充电时间、充电功率的需求，发送端设置控制策略；
步骤4：无线能量传输：发送端控制器完成控制策略设置后，将发送端和接收端1、接收端2功率/信号切换开关都切换至能量传输通道，关闭通讯模块，根据步骤3设定的功率大小、时间间隔对接收端1、接收端2进行无线充电；
步骤5：能量传输异常检测，发送端控制器检测能量输出是否发生异常变化，如无异常进入步骤6，如有异常则进入步骤8；
步骤6：判断接收端1或接收端2设定时间到：发送端控制器根据步骤4设定的时间间隔和功率大小同时向多个接收端控制器传输能量；假设接收端控制器1能量传输设定时间到达时，接收端控制器1通过切换开关关闭能量传输通道，开启通讯通道，传输基本的电压、电流数值，并根据是否有需求传输用户自定义数据；
步骤7：接收端1进入待机模式：通讯时间结束后，接收端控制器1处于待机状态，退出无线能量传输模式；发送端控制器继续向接收端控制器2进行无线能量传输，直至接收端控制器2能量传输设定时间到达；通讯结束后，接收端控制器2进入待机状态；
步骤8：关闭能量传输：将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至通讯通道，关闭能量传输通道；
步骤9：故障信息判别：发送端控制器对故障信息进行判别，若判别为系统故障则停机，工作结束；若判别为新接收端(接收端3)加入，则进入步骤10；
步骤10：新接收端设置：发送端控制器接收到新接收端控制器信息(身份标识)，依据接收端定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定原边传输功率设定；
步骤11：发送端控制序列修正：发送端控制器将新接入的接收端控制器的传输功率和时间间隔纳入控制序列，开始能量传输，进入步骤4。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统，其特征在于，包括发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器；发送端控制器接收功率源发送的电能；发送端控制器发送高频交流电或载波信号至发送端线圈；发送端线圈在高频交流电或载波信号作用下与接收端线圈产生电磁感应，将能量/信号传送至接收端线圈，接收端线圈根据实际需要配置1个或多个，同时根据接收端线圈数量配置相同数量的接收端控制器和用电设备；第i个接收端线圈携带高频交流电或载波信号发送至第i个接收端控制器，其中，i为正整数；第i个接收端控制器将从第i个接收端线圈接收的高频交流电经过整流后发送给第i个用电设备，并采集第i个接收端线圈的输出电压电流，计算接收端线圈的功率和效率；
所述发送端控制器包含高频逆变电路模块、发送端信号调理电路模块、发送端功率/信号切换开关电路模块、发送端电压电流采样电路模块、发送端下位机模块；高频逆变电路模块将功率源发送的直流电转化为设定频率的高频交流电；发送端信号调理电路模块将发送端下位机模块产生的数字信号转化为载波信号；发送端电压电流采样电路模块采集发送端线圈输出的电压和电流，发送至发送端下位机模块；发送端功率/信号切换开关电路模块切换能量传输通道与通讯传输通道，当发送端功率/信号切换开关模块切换至功率端时，将高频逆变电路产生的高频交流电发送给发送端线圈，当发送端功率/信号切换开关模块切换至信号端时，将发射端信号调理电路模块产生的载波信号发送给发送端线圈；发送端下位机模块完成发送端功率、效率计算，将所需要传输的信息传化为带有标号的字段进行传输，字段包括起始位、多位数据、终止位与校验位，将字段打包发送至发送端信号调理电路模块。
2.根据权利要求1所述的一种带通讯功能的多通道无线能量传输系统，其特征在于：所述接收端控制器包含接收端功率/信号切换开关、整流电路、接收端信号调理电路、接收端电压电流采样电路、接收端下位机模块；接收端功率/信号切换开关电路用于切换能量传输通道与通讯传输通道，接收端功率/信号切换开关切换至功率端时，将接收端线圈接收的高频交流电发送给整流电路；接收端功率/信号切换开关切换至信号端时，将接收端线圈接收的载波信号发送给接收端信号调理电路；整流电路将高频交流电变换为直流电，输出给用电设备；接收端信号调理电路将载波信号还原为数字信号，发送给接收端下位机模块；接收端电压电流采样电路采集接收端线圈的输出电压电流发送给接收端下位机模块；接收端下位机模块计算接收端线圈的功率和效率，并根据接收到的数字信号进行相应处理。
3.一种使用如权利要求1或2所述的带通讯功能的多通道无线能量传输系统进行无线能量传输的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：开启发送端控制器、i个接收端控制器，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关均切换至信号端；
步骤2：由发送端控制器循环检测是否存在接收端信号回馈，接收端包括接收端线圈、接收端控制器；
如果存在回馈信号则进入步骤3；如果没有信号反馈则返回步骤1；
步骤3：发送端控制器接收到信息后，判断接收端类型，依据接收端类型和数量确定能量传输方式与定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定发送端传输功率设定；
步骤4：发送端控制器和接收端控制器完成信号握手后，将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至能量传输通道，根据步骤3设定的功率大小、时间间隔进行无线能量传输；
步骤5：发送端控制器检测能量输出是否发生异常变化，如无异常进入步骤6，如有异常则进入步骤8；
步骤6：发送端控制器根据步骤4设定的时间间隔和功率大小同时向多个接收端控制器传输能量；当第i个接收端控制器能量传输设定时间到达时，第i个接收端控制器通过接收端功率/信号切换开关关闭能量传输通道，开启通讯传输通道，传输电压、电流数值，并根据是否有需求传输用户自定义数据；
步骤7：通讯时间结束后，第i个接收端控制器处于待机状态，退出无线能量传输模式；发送端控制器继续向剩余的接收端控制器进行无线能量传输，直至所有的接收端控制器设定时间到达，均进入待机状态；工作结束；
步骤8：将发送端功率/信号切换开关和接收端功率/信号切换开关都切换至通讯传输通道，关闭能量传输通道；
步骤9：发送端控制器对故障信息进行判别，若判别为系统故障则停机，工作结束；若判别为有新接收端加入，则进入步骤10；
步骤10：发送端控制器接收到新接收端控制器信息，依据接收端定时能量传输时间间隔，再根据能量传输功率需求确定发送端传输功率设定；
步骤11：发送端控制器将新接入的接收端控制器的传输功率和时间间隔纳入控制序列，开始能量传输，进入步骤4。
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