[发明专利]一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统。

背景技术

无线能量传输技术作为一项近年来崛起的电能传输方法，在各个领域都有广泛应用。在许多消费类电子产品的使用中，电池的充电接口是一个十分关键的设计。由于接头处的磨损问题，会导致故障。而非接触式充电方式可以有效的避免此类问题。在一些医学应用领域，许多人造器官如起搏器等需要电能辅助供电，而此类供电措施往往需要内置电池来完成。同样的，使用无线充电技术可以有效为这些体内设备供电，同时减少维护次数，减轻了病人的痛苦。在大功率应用场合，如近年来兴起的电动汽车以及电动轨道交通等领域，无线能量传输技术可以避免供电接口处的磨损，以及接触式充电带来的接触火花等安全隐患。另外，在一些特殊的需要非接触式供电的场合如水下作业，矿山等，这项技术有着独特的优势。

无线能量传输的实现主要有两种方式：电感耦合和磁场共振。目前，电感耦合无线能量传输系统的输出功率较大、传输效率高，但是信号频率较低、传输距离较近；磁场共振无线能量传输系统的信号频率较高、传输距离较远，但是输出功率较小、传输效率较低。本发明属于电感耦合方式。

对于一个完善的无线能量传输系统，除了具有高效的电能转换电路，还需具备目标物体检测、系统状态监控、反馈控制、故障检测等功能，因此需要在原边和副边之间实现单向或双向数据通讯。现有无线能量传输系统中的通讯方式有以下几类：

（1）功率与信号传输在电路实现以及使用频率上完全独立，可采用专用的射频通讯模块（如蓝牙，ZIGBEE等）。申请号为200910049173.1和申请号为201210510534.X的中国专利采用了这种方式，该方式在一些场合使用方便，但是额外增加了体积和成本。该类方式的另一实现途径是：系统除了功率耦合电感外，额外增加一组通讯线圈。利用额外无线通讯模块或额外电感线圈技术中，功率载波和信号载波不通过公共电感线圈传输，功率模块和通讯模块电路不相连，控制上也是解耦的。但额外的通讯电感线圈不仅增加了系统体积，不适合用于某些体积敏感的场合，而且在功率和信号同时传输时，功率传输不可避免地会影响信号传输过程，因此对设计人员的要求较高。

（2）功率与信号传输共用耦合电感线圈并公用一个频段，如采用负载调制技术和功率放大器ASK调制技术。申请号为201210412054.X和申请号为201110100162.9的中国专利采用了该方式。在功率放大器ASK调制技术中以及负载调制技术中，信号直接调制到功率载波上，功率模块和通讯模块电路连接耦合，同时控制上不解耦。这种技术在能量接收端附加额外开关，通过切换负载阻抗实现反馈通讯。但这种技术存在几个缺点，首先通讯速率受到限制，即无法超过功率回路的开关频率；其次在大功率应用场合，这种技术会造成较大的功率损耗，降低无线能量传输系统的能量传输效率，因此更适合小功率场合。

（3）功率与信号传输时分复用公共电感线圈且不用同一个频段。申请号为200980156736.5的中国专利采用了该方式。公共电感线圈既可以传输功率也可以传输信号，这种技术功率模块和通讯模块电路上不连接，控制上解耦。但这种技术功率和信号不能同时传输，因此首先不适用功率较大的场合，其次通讯速率也受到时间分配的影响。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提供了一种适用于不同功率场合，通讯速率高，并且不增加额外线圈，且成本较低的双向通讯模块，从而使无线能量传输系统实现功率和信号同时传输。本系统中功率载波和信号载波频分复用公共电感线圈，功率模块和通讯模块电路连接上通过磁接口耦合，但是控制上是解耦的。

一种基于公共电感耦合实现高速通讯和无线能量传输的系统，包括供电单元和受电单元；所述的供电单元包括功率输送模块和通讯信号接收模块，所述的受电单元包括功率接收模块和通讯信号发射模块；所述的功率输送模块与功率接收模块基于公共电感耦合；所述的功率输送模块与通讯信号接收模块耦合连接，所述的功率接收模块与通讯信号发射模块耦合连接，且功率传输与通讯信号传输基于不同的传输频率。

所述的功率输送模块与通讯信号接收模块以及功率接收模块与通讯信号发射模块均通过磁接口进行耦合，所述的磁接口为耦合电感，变压器或空心耦合电感线圈。