一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法技术方案

一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域，解决了现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统存在的数据载波信号在被加载和被提取时衰减严重以及功率传输对数据传输干扰大的问题。本发明专利技术在现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统的基础上进入了基于LCLC结构的原边补偿单元和副边补偿单元，并将已调信号的频率设置为大于待传输的能量信号的频率，进而降低了自身功率传输对数据传输的干扰。本发明专利技术的信号加载单元采用电容耦合的方式加载数据载波信号，本发明专利技术的信号提取单元采用电容耦合的方式提取数据载波信号，使得数据载波信号在被加载和被提取时衰减较弱。

【技术实现步骤摘要】
一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法
本专利技术涉及一种能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，属于无线电能传输

技术介绍
现有基于磁场耦合的无线能量与数据同步传输方式主要分为以下三种：第一种：通过频移键控(FSK)直接调制功率载波以实现电源侧向负载侧的数据传输，并通过负载调制键控(LSK)来实现反向数据传输。这种无线能量与数据同步传输方式的功率传输与数据传输共用同一组耦合线圈。然而，由于这种无线能量与数据同步传输方式直接对功率载波进行调制，数据传输对功率传输的干扰大，不适用于大功率场合。除此之外，这种无线能量与数据同步传输方式的数据传输速率受限于能量载波频率。第二种：通过两组耦合线圈分别实现能量传输和数据传输。由于两组耦合线圈分开放置，减小了数据传输对功率传输的干扰。而且，数据载波能够工作在很高的频率，提高了数据传输速率。然而，这种无线能量与数据同步传输方式因增设了一组数据耦合线圈而导致相应设备的尺寸增大，成本增加。第三种：多种载波通过同一组耦合线圈进行无线传输。在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到功率传输电路上。高频信号经松耦合变压器传输到接收端，接收端通过耦合电路提取高频信号，再经滤波、放大和解调后还原成二进制数字信号。这种无线能量与数据同步传输方式不需要增设额外的线圈，并且由于数据载波与能量载波的频率不同，使得数据传输对功率传输的干扰较小。高频的数据载波还可以提高数据的传输速率。然而，现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统通常采用电感耦合的方式来加载数据载波信号以及提取数据载波信号，这种电感耦合的方式对数据载波信号的衰减较大。除此之外，现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统并未对功率传输回路或者数据传输回路进行优化，使得功率传输对数据传输的干扰较大，进而导致系统的通信可靠性较低。
技术实现思路
本专利技术为解决现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统存在的数据载波信号在被加载和被提取时衰减严重以及功率传输对数据传输干扰大的问题，提出了一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法。本专利技术所述的无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；原边补偿单元用于减小原边电路的输入阻抗角以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行调制，得到已调信号；信号加载单元用于采用电容耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；信号提取单元用于采用电容耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；信号解调单元用于对提取到的已调信号进行解调，得到数据信号；整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；副边补偿单元用于减小副边电路的输入阻抗角以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波；原边补偿单元与副边补偿单元的电路结构相同，均为LCLC补偿电路；已调信号的频率大于待传输的能量信号的频率。作为优选的是，磁耦合单元为松耦合变压器，松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls。作为优选的是，逆变单元为移相全桥逆变电路；原边补偿单元包括电感Lf1、电感L1、电容Cf1和电容C1；信号加载单元包括电阻Rin-ser、电阻Rin-par、隔离变压器TI和电容Cdp-s，隔离变压器TI包括原边线圈Ldp-p和副边线圈Ldp-s；移相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，移相全桥逆变电路的第一交流输出端与电感Lf1的第一端相连，电感Lf1的第二端同时与电容Cf1的第一端和电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端同时与原边线圈LP的第一端和副边线圈Ldp-s的第一端相连，副边线圈Ldp-s的第二端与电容Cdp-s的第一端相连，电容Cdp-s的第二端、原边线圈LP的第二端和电容Cf1的第二端均与移相全桥逆变电路的第二交流输出端相连；原边线圈Ldp-p的第一端与电阻Rin-par的第一端相连，原边线圈Ldp-p的第二端同时与电阻Rin-par的第二端和电阻Rin-ser的第一端相连，已调信号加载在电阻Rin-ser的第二端与原边线圈Ldp-p的第一端和电阻Rin-par的第一端的公共端之间；原边线圈Ldp-p的第一端与副边线圈Ldp-s的第一端为同名端。作为优选的是，移相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4，NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D1～体二极管D4；每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一直流输入端；NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二直流输入端；NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一交流输出端；NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二交流输出端。作为优选的是，信号调制单元包括直流电压源Uin-d、NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d、电容C2d、与门AND1、与门AND2和非门NOT；NMOS管Q1d和NMOS管Q2d分别自带有体二极管D1d和体二极管D2d；每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；直流电压源Uin-d的正极同时与NMOS管Q1d的漏极和电容C1d的第一端相连，直流电压源Uin-d的负极同时与NMOS管Q2d的源极和电容C2d的第一端相连；NMOS管Q1d的源极与NMOS管Q2d的漏极相连，二者的公共端与原边线圈Ldp-p的第一端和电阻Rin-par的第一端的公共端相连；电容C1d的第二端与电容C2d的第二端相连，二者的公共端与电阻Rin-ser的第二端相连；与门AND1的第一输入端和第二输入端分别接入第二高频交流电压信号和待传输的数据信号，与门AND1的输出信号用于经第一驱动电路驱动NMOS管Q1d；非门NOT的输入端接入第二高频交流电压信号，非门NOT的输出端和与门AND2的第一输入端相连，与门AND2的第二输入端接入待传输的数据信号，与门AND2的输出信号用于经第二驱动电路驱动NMOS管Q2d。作为优选的是，信号提取单元包括电容Cds-s、隔离变压器TE和电阻Rout，隔离变压器TE包括原边线圈Lds-p和副边线圈Lds-s；副边补偿单元包括电感Lf2、电感L2、电容Cf2和电容C2；整流单元为桥式整流电路；滤波单元为电容CF；电感L2的第一端同时与副边线圈Lds-s的第一端和副边线圈Ls的第一端相连，电感L2的第二端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，所述无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；原边补偿单元用于减小原边电路的输入阻抗角以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行调制，得到已调信号；信号加载单元用于采用电容耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；信号提取单元用于采用电容耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；信号解调单元用于对提取到的已调信号进行解调，得到数据信号；整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；副边补偿单元用于减小副边电路的输入阻抗角以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波；原边补偿单元与副边补偿单元的电路结构相同，均为LCLC补偿电路；已调信号的频率大于待传输的能量信号的频率。...

【技术特征摘要】
1.一种无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，所述无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；原边补偿单元用于减小原边电路的输入阻抗角以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行调制，得到已调信号；信号加载单元用于采用电容耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；信号提取单元用于采用电容耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；信号解调单元用于对提取到的已调信号进行解调，得到数据信号；整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；副边补偿单元用于减小副边电路的输入阻抗角以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波；原边补偿单元与副边补偿单元的电路结构相同，均为LCLC补偿电路；已调信号的频率大于待传输的能量信号的频率。2.如权利要求1所述的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，磁耦合单元为松耦合变压器，松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls。3.如权利要求2所述的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，逆变单元为移相全桥逆变电路；原边补偿单元包括电感Lf1、电感L1、电容Cf1和电容C1；信号加载单元包括电阻Rin-ser、电阻Rin-par、隔离变压器TI和电容Cdp-s，隔离变压器TI包括原边线圈Ldp-p和副边线圈Ldp-s；移相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，移相全桥逆变电路的第一交流输出端与电感Lf1的第一端相连，电感Lf1的第二端同时与电容Cf1的第一端和电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端同时与原边线圈LP的第一端和副边线圈Ldp-s的第一端相连，副边线圈Ldp-s的第二端与电容Cdp-s的第一端相连，电容Cdp-s的第二端、原边线圈LP的第二端和电容Cf1的第二端均与移相全桥逆变电路的第二交流输出端相连；原边线圈Ldp-p的第一端与电阻Rin-par的第一端相连，原边线圈Ldp-p的第二端同时与电阻Rin-par的第二端和电阻Rin-ser的第一端相连，已调信号加载在电阻Rin-ser的第二端与原边线圈Ldp-p的第一端和电阻Rin-par的第一端的公共端之间；原边线圈Ldp-p的第一端与副边线圈Ldp-s的第一端为同名端。4.如权利要求3所述的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，移相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4，NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D1～体二极管D4；每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一直流输入端；NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二直流输入端；NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一交流输出端；NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二交流输出端。5.如权利要求4所述的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，信号调制单元包括直流电压源Uin-d、NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d、电容C2d、与门AND1、与门AND2和非门NOT；NMOS管Q1d和NMOS管Q2d分别自带有体二极管D1d和体二极管D2d；每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；直流电压源Uin-d的正极同时与NMOS管Q1d的漏极和电容C1d的第一端相连，直流电压源Uin-d的负极同时与NMOS管Q2d的源极和电容C2d的第一端相连；NMOS管Q1d的源极与NMOS管Q2d的漏极相连，二者的公共端与原边线圈Ldp-p的第一端和电阻Rin-par的第一端的公共端相连；电容C1d的第二端与电容C2d的第二端相连，二者的公共端与电阻Rin-ser的第二端相连；与门AND1的第一输入端和第二输入端分别接入第二高频交流电压信号和待传输的数据信号，与门AND1的输出信号用于经第一驱动电路驱动NMOS管Q1d；非门NOT的输入端接入第二高频交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓胜，姚友素，王懿杰，程海松，高胜含，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23