- 頭條哈爾濱工業大學科研團隊提出一種新型無線能量和數據協同傳輸技術2022-08-20 作者：姚友素、唐程雄 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學院的研究人員姚友素、唐程雄、王懿杰、劉曉勝、徐殿國，在2022年第8期《電工技術學報》上撰文，提出了基于正交磁場的無線能量和數據協同傳輸方案，以盡量減小能量傳輸和數據傳輸的交叉干擾。由于數據線圈匝數很少，且所用單股銅線很細，因此引入數據線圈對磁耦合機構的體積影響很小。
無線能量傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術具有靈活方便、電氣隔離、環境適應性強和易維護等優點，能夠解決線纜輸電的部分問題，成為當下的研究熱點。在部分無線能量傳輸系統中，為了實現用戶識別、狀態監控、閉環控制及多控制器同步等功能，在進行無線能量傳輸的同時，系統一次、二次側需要交互數據。
射頻通信技術與微波通信技術是兩種常用的通信技術，但應用于無線能量傳輸系統中存在以下問題：隨著無線能量傳輸功率以及系統工作頻率的提高，射頻通信的誤碼率會升高，同時由于標準射頻通信技術采用公共頻段，難以保證信息安全；無線能量傳輸系統一次、二次側往往存在較大的偏移，導致對偏移較敏感的微波通信可能失效。為解決無線能量傳輸系統中的數據傳輸問題，人們提出了多種無線能量和數據協同傳輸（Wireless Power and Data Transfer, WPDT）方案。
直接調制電能信號實現電能和數據協同傳輸是一種有效的解決方案。主要調制方式有幅移鍵控（Amplitude Shift Keying, ASK）、負載鍵控（Load Shift Keying, LSK）和頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK），這三種調制方式中，FSK擁有比ASK和LSK更好的抗噪性能。
由于是直接調制電能信號，三種調制方式對功率傳輸影響大、通信速率低且不適用于大功率場合。為提高通信速率，減小數據傳輸與能量傳輸的交叉干擾，有學者借鑒電力線載波通信技術，先將數據調制到高頻載波上，經功率放大后耦合到能量傳輸電路進行傳輸，在接收端分離出高頻載波信號，最后還原出發送的數據。該方案中能量傳輸與數據傳輸共用耦合通道，因此需要額外的數據加載及提取電路，數據傳輸電
路參數設計復雜，同時功率電路開關噪聲對數據傳輸影響大，限制了系統功率等級的提升，此外系統對載波頻率有一定要求。
使用雙耦合通道分別傳輸電能與數據能有效解決單耦合系統的問題，能量傳輸與數據傳輸使用不同的耦合通道，數據傳輸速率不受能量傳輸系統工作頻率的限制，同時不需要復雜的數據加載及提取電路，整個系統的體積相比于單耦合系統大大減小。但目前的雙耦合系統中，仍然存在交叉干擾嚴重、對解調電路要求較高的問題。
為此，哈爾濱工業大學電氣工程學院的研究人員姚友素、唐程雄、王懿杰、劉曉勝、徐殿國，在2022年第8期《電工技術學報》上撰文，提出了基于正交磁場的無線能量和數據協同傳輸方案，以盡量減小能量傳輸和數據傳輸的交叉干擾。由于數據線圈匝數很少，且所用單股銅線很細，因此引入數據線圈對磁耦合機構的體積影響很小。
圖1 無線能量和數據協同傳輸樣機
他們指出，通過采用平面方形線圈和DD線圈分別傳輸能量和數據，降低了能量傳輸與數據傳輸的交叉干擾，簡化了系統參數設計。通過所提正交磁耦合機構優化方法，將平面方形線圈和DD線圈的耦合系數分別提升了11%和30%。仿真結果表明，當兩種線圈相對角度為0°時，能量傳輸與數據傳輸交叉干擾最小。研究人員推導了系統輸出電流和數據傳輸增益的解析表達式，發現輸出電流與負載無關。
為驗證理論分析，他們搭建了傳輸距離為130mm、磁耦合機構外尺寸為120mm×120mm×15mm（其中能量線圈高度為14mm，數據線圈高度為1mm）、輸出功率為47W的WPDT樣機。實驗表明，數據傳速率高達1.0Mbit/s，能量傳輸效率為68.4%，系統具有較好的能量與數據交叉干擾抑制能力。
本文編自2022年第8期《電工技術學報》，論文標題為“基于正交磁場的無線能量和數據協同傳輸技術”。本課題得到了中央高校基本科研業務費、電驅動與電推進技術教育部重點實驗室開放基金和國家自然科學基金資助項目的支持。
