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無(wú)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(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并被應(yīng)用于電動(dòng)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(wú)線電能傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(cè)等功能。射頻通信是許多無(wú)線通信的無(wú)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(chǎng)干擾增強(qiáng)，射頻通信的可靠性將會(huì)降低。

目前為止，已經(jīng)提出了多種基于磁場(chǎng)耦合的無(wú)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(chǎng)合，通過(guò)頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）直接調(diào)制功率載波來(lái)實(shí)現(xiàn)電源側(cè)向負(fù)載側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)負(fù)載調(diào)制鍵控（Load Shift Keying, LSK）來(lái)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(duì)功率載波進(jìn)行調(diào)制，這種通信方式對(duì)功率傳輸?shù)母蓴_大，不適用于大功率場(chǎng)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(wèn)題，提出通過(guò)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(kāi)放置，減小了數(shù)據(jù)傳輸對(duì)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(guò)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(shí)，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(hào)經(jīng)松耦合變壓器傳輸?shù)浇邮斩?，接收機(jī)通過(guò)耦合電路提取高頻信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大、解調(diào)后還原成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。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(duì)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(hào)的耦合方式主要有電容耦合和電感耦合，分別通過(guò)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(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都采用電感耦合。電感耦合對(duì)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(jiǎn)單，傳輸特性較電感耦合更理想，對(duì)載波的衰減更小。

本文提出一種基于電容耦合的無(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，建立詳細(xì)的通信模型并分析具體的電路，總結(jié)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到119kbit/s。比文獻(xiàn)[5]（20kbit/s）、文獻(xiàn)[6]（19.2kbit/s）中的數(shù)據(jù)傳輸速率高很多。在數(shù)據(jù)傳輸電路中加入限流電阻，減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β蕮p耗，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸增益可以靈活地調(diào)節(jié)，在大功率場(chǎng)合也能達(dá)到很高的信噪比。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。

圖1 無(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖

圖6 無(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖11 無(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)樣機(jī)

結(jié)論

本文主要提出了一種使用電容耦合和雙邊LCC補(bǔ)償?shù)男滦蜔o(wú)線能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)100W的樣機(jī)，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

在線圈對(duì)正情況下實(shí)際測(cè)量的功率傳輸效率高達(dá)90.5%，數(shù)據(jù)傳輸速率119kbit/s。數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，在耦合系數(shù)降低60.2%的情況下，系統(tǒng)依然能夠正常地工作。與加入數(shù)據(jù)傳輸電路相比，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸電路時(shí)的輸入輸出功率分別降低了4.3%和4.2%。數(shù)據(jù)傳輸對(duì)功率傳輸?shù)母蓴_很小，數(shù)據(jù)傳輸增益可以通過(guò)電阻Rin-ser進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同功率等級(jí)下的應(yīng)用。