一種新型的無線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

一種基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)男滦蜔o線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具體介紹功率傳輸電路以及數(shù)據(jù)調(diào)制、發(fā)送、接收、解調(diào)電路的原理。詳細(xì)介紹系統(tǒng)中每個元件的功能，總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟，分析功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸之間的串?dāng)_以及減小干擾的設(shè)計(jì)規(guī)則。最后建立一個100W的樣機(jī)。

實(shí)際測量得到功率傳輸效率為90.5%，數(shù)據(jù)傳輸速率為119kbit/s，并且樣機(jī)數(shù)據(jù)傳輸電路抗干擾能力強(qiáng)。在耦合系數(shù)降低60.2%的情況下依然能夠正常工作，測量得到的功率傳輸與數(shù)據(jù)傳輸之間的干擾非常小，功率傳輸和數(shù)據(jù)傳輸幾乎不受這些干擾的影響。

無線電能傳輸系統(tǒng)因具有高可靠性、靈活、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并被應(yīng)用于電動汽車、消費(fèi)電子、植入式醫(yī)療等領(lǐng)域。

在很多應(yīng)用中，進(jìn)行無線電能傳輸?shù)耐瑫r也需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)反饋控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能。射頻通信是許多無線通信的無線電能傳輸系統(tǒng)采用的通信方式之一。但隨著傳輸功率的增加，磁場干擾增強(qiáng)，射頻通信的可靠性將會降低。

目前為止，已經(jīng)提出了多種基于磁場耦合的無線能量數(shù)據(jù)傳輸（Wireless Power and Data Trans- mission, WPDT）技術(shù)。在一些小功率應(yīng)用場合，通過頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）直接調(diào)制功率載波來實(shí)現(xiàn)電源側(cè)向負(fù)載側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過負(fù)載調(diào)制鍵控（Load Shift Keying, LSK）來實(shí)現(xiàn)反向數(shù)據(jù)傳輸，功率傳輸與數(shù)據(jù)傳輸共用同一組耦合線圈。但由于直接對功率載波進(jìn)行調(diào)制，這種通信方式對功率傳輸?shù)母蓴_大，不適用于大功率場合，并且數(shù)據(jù)傳輸速率受到功率載波頻率的限制，通信速率不高。

為了解決上述問題，提出通過兩組耦合線圈分別傳輸能量和數(shù)據(jù)的技術(shù)。由于兩組線圈分開放置，減小了數(shù)據(jù)傳輸對功率傳輸?shù)母蓴_。并且數(shù)據(jù)載波能夠工作在很高的頻率，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。但是由于這種結(jié)構(gòu)增加了額外的數(shù)據(jù)耦合線圈，設(shè)備的體積以及成本增加。

另一種方案是多種載波通過同一耦合線圈進(jìn)行傳輸。這種方案借鑒了電力線通信的思想。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大后耦合到功率傳輸電路上。高頻信號經(jīng)松耦合變壓器傳輸?shù)浇邮斩?，接收機(jī)通過耦合電路提取高頻信號，再經(jīng)濾波、放大、解調(diào)后還原成二進(jìn)制數(shù)字信號。

這項(xiàng)技術(shù)不需要增加額外的線圈，并且由于數(shù)據(jù)載波和功率載波頻率不同，數(shù)據(jù)傳輸對功率傳輸?shù)母蓴_較小。高頻的數(shù)據(jù)載波還可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。本文將采用這種方案進(jìn)行研究。

載波信號的耦合方式主要有電容耦合和電感耦合，分別通過并聯(lián)的耦合電容或串聯(lián)的耦合電感傳遞載波。多數(shù)基于載波的無線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都采用電感耦合。電感耦合對數(shù)據(jù)載波的衰減比較大，并且數(shù)據(jù)提取電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。因此本文選用電容耦合，電容耦合屬于直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，對載波的衰減更小。