- 頭條新型無線能量數據傳輸系統，抗干擾強，效率高，速度快2020-01-03 作者：程海松、姚友素 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員程海松、姚友素等，在2018年《電工技術學報》增刊2上撰文（論文標題為“基于雙邊LCC補償的無線能量數據傳輸系統設計”），提出一種基于雙邊LCC補償的新型無線能量數據傳輸系統，具體介紹功率傳輸電路以及數據調制、發送、接收、解調電路的原理。詳細介紹系統中每個元件的功能，總結系統設計的步驟，分析功率傳輸和數據傳輸之間的串擾以及減小干擾的設計規則。最后建立一個100W的樣機。 實際測量得到功率傳輸效率為90.5%，數據傳輸速率為119kbit/s，并且樣機數據傳輸電路抗干擾能力強。在耦合系數降低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據傳輸之間的干擾非常小，功率傳輸和數據傳輸幾乎不受這些干擾的影響。
無線電能傳輸系統因具有高可靠性、靈活、安全性能好等優點，近年來成為國內外研究的熱點，并被應用于電動汽車、消費電子、植入式醫療等領域。
在很多應用中，進行無線電能傳輸的同時也需要進行數據通信，以實現反饋控制、狀態監測等功能。射頻通信是許多無線通信的無線電能傳輸系統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，射頻通信的可靠性將會降低。
目前為止，已經提出了多種基于磁場耦合的無線能量數據傳輸（Wireless Power and Data Trans- mission, WPDT）技術。在一些小功率應用場合，通過頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）直接調制功率載波來實現電源側向負載側的數據傳輸，并通過負載調制鍵控（Load Shift Keying, LSK）來實現反向數據傳輸，功率傳輸與數據傳輸共用同一組耦合線圈。但由于直接對功率載波進行調制，這種通信方式對功率傳輸的干擾大，不適用于大功率場合，并且數據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據的技術。由于兩組線圈分開放置，減小了數據傳輸對功率傳輸的干擾。并且數據載波能夠工作在很高的頻率，提高了數據的傳輸速率。但是由于這種結構增加了額外的數據耦合線圈，設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行傳輸。這種方案借鑒了電力線通信的思想。在發送數據時，先將數據調制到高頻載波上，經功率放大后耦合到功率傳輸電路上。高頻信號經松耦合變壓器傳輸到接收端，接收機通過耦合電路提取高頻信號，再經濾波、放大、解調后還原成二進制數字信號。這項技術不需要增加額外的線圈，并且由于數據載波和功率載波頻率不同，數據傳輸對功率傳輸的干擾較小。高頻的數據載波還可以提高數據的傳輸速率。本文將采用這種方案進行研究。
載波信號的耦合方式主要有電容耦合和電感耦合，分別通過并聯的耦合電容或串聯的耦合電感傳遞載波。多數基于載波的無線能量數據傳輸系統都采用電感耦合。電感耦合對數據載波的衰減比較大，并且數據提取電路設計復雜。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。
本文提出一種基于電容耦合的無線能量數據傳輸系統，建立詳細的通信模型并分析具體的電路，總結實際系統的設計步驟。所設計系統數據傳輸速率達到119kbit/s。比文獻[5]（20kbit/s）、文獻[6]（19.2kbit/s）中的數據傳輸速率高很多。在數據傳輸電路中加入限流電阻，減小了數據傳輸的功率損耗，同時數據傳輸增益可以靈活地調節，在大功率場合也能達到很高的信噪比。數據傳輸電路抗干擾能力強，在耦合系數降低60.2%的情況下依然能夠正常工作。
圖1 無線能量數據傳輸系統示意圖
圖6 無線能量數據傳輸系統設計流程
圖11 無線能量數據傳輸系統樣機
結論
本文主要提出了一種使用電容耦合和雙邊LCC補償的新型無線能量數據傳輸系統。介紹了系統的設計步驟，設計并搭建了一個100W的樣機，通過一系列實驗驗證了方案的可行性。
在線圈對正情況下實際測量的功率傳輸效率高達90.5%，數據傳輸速率119kbit/s。數據傳輸抗干擾能力強，在耦合系數降低60.2%的情況下，系統依然能夠正常地工作。與加入數據傳輸電路相比，沒有數據傳輸電路時的輸入輸出功率分別降低了4.3%和4.2%。數據傳輸對功率傳輸的干擾很小，數據傳輸增益可以通過電阻Rin-ser進行調節，以適應不同功率等級下的應用。
