基于正交磁場的無線能量和數據協同傳輸技術

姚友素 唐程雄 王懿杰 劉曉勝 徐殿國

基于正交磁場的無線能量和數據協同傳輸技術

姚友素 唐程雄 王懿杰 劉曉勝 徐殿國

（哈爾濱工業大學電氣工程學院 哈爾濱 150001）

該文提出一種新型的無線能量和數據協同傳輸方案，通過采用基于平面方形線圈和DD線圈的正交磁耦合機構，降低交叉干擾，拓展設計自由度，簡化電路分析。提出基于有限元仿真的正交磁耦合機構優化設計方法，闡明能量傳輸和數據傳輸交叉干擾小的原因，研究能量和數據傳輸特性。為驗證理論分析，搭建一個傳輸距離為130mm、磁耦合機構（包括能量線圈和數據線圈）外尺寸為120mm×120mm×15mm、輸出功率為47W的樣機，樣機效率可達68.4%，數據傳輸速率為1.0Mbit/s。通過對比數據單獨傳輸及能量和數據協同傳輸時的波形，證明能量傳輸和數據傳輸干擾可忽略。

無線能量和數據協同傳輸（WPDT） 正交磁耦合機構 雙邊LCC補償拓撲 二進制頻移鍵控（BFSK）

0 引言

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[1-5]。在部分WPT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[6-7]。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[8]，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[9]。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）[10]、負載鍵控（Load Shift Keying, LSK）[11]和頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）[12]，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[13]，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[14-17]，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[18-20]。為此，本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。為驗證理論分析，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，系統效率為68.4%，數據傳輸速率高達1.0Mbit/s。

1 系統簡介

圖1為無線能量和數據協同傳輸系統電路。能量傳輸部分由全橋逆變器（Ⅰ）、雙邊LCC補償拓撲（Ⅱ）、能量傳輸磁耦合機構（Ⅲ）、整流濾波及負載電路（Ⅳ）四部分組成，in為直流輸入電壓，in為直流輸入電流，in為輸入濾波電容，Q1～Q4為4個MOSFET，AB和AB分別為逆變器輸出電壓和電流，f1、f1、1分別為一次側串聯補償電感、并聯補償電容以及串聯補償電容，1、2分別為能量傳輸耦合線圈一次、二次自感，1、2分別為一次、二次側能量線圈電流，12為能量傳輸線圈互感，f2、f2、2分別為二次側串聯補償電感、并聯補償電容以及串聯補償電容，VD1～VD4為4個二極管，ab為整流橋輸入電壓，F為輸出濾波電容，L為負載，out為輸出電壓，R為輸出電流。無線數據傳輸部分（Ⅴ）由信號調制電路、數據傳輸磁耦合機構、S/S補償拓撲以及解調電路四個子模塊組成，od為發送數據，3、4分別為數據傳輸系統一次、二次側補償電容，3、4分別為數據傳輸耦合線圈一次、二次側自感，34為數據傳輸線圈互感，dd為接收數據。圖2為數字信號調制電路，其本質上是半橋逆變器。

圖1 無線能量和數據協同傳輸系統電路

圖2 數字信號調制電路

圖中，in-d為數據傳輸電路直流輸入電壓，Q1d、Q2d為兩個MOSFET，其與電容1d、2d構成半橋逆變器，dr1與dr2分別為Q1d和Q2d的驅動信號，兩者互補，md為經過FSK調制的信號，(bit)為od與dr1、dr2的關聯函數，具體表達式為

當要傳輸的二進制數據為1時，產生頻率為h的高頻驅動信號，否則將產生頻率為l的低頻驅動信號，因此發送數據被調制到不同頻率的載波上。

圖3為數字信號解調電路。out-d為數據傳輸接收端未經解調的信號。md通過數據線圈耦合到接收端，經過高通濾波器后連接到兩個不同的電路。這兩個電路中的放大器、包絡檢波器和電阻電容低通濾波器電路結構完全相同，僅陷波器的陷波頻率不同，陷波器1和2的陷波頻率分別為l和h。最后，利用比較器對放大器2和4的輸出進行比較，比較器的輸出即接收數據dd。

圖3 數字信號解調電路

2 正交磁耦合機構優化設計

磁耦合機構是無線能量和數據協同傳輸系統核心部分，常用的磁耦合機構有平面圓/方形、DD（double D）、扁平螺線管等。平面圓/方形磁耦合機構簡單且耦合性能較好，在最大外尺寸相同的情況下，平面方形相較于平面圓形具有更好的耦合性能，本系統能量傳輸部分采用平面方形線圈作為磁耦合機構；同時為徹底消除同側能量與數據線圈的之間耦合，數據傳輸部分采用DD線圈作為磁耦合機構，并且兩組線圈共軸垂直放置。

圖4 用于能量和數據傳輸的正交磁耦合機構

圖5為能量與數據線圈耦合示意圖，線圈間的耦合系數k為

圖5 能量與數據線圈耦合示意圖

式中，12、34分別為能量、數據線圈耦合系數；13、24分別為一次、二次同側能量與數據線圈的耦合系數；14為一次側能量線圈與二次側數據線圈的耦合系數；23為一次側數據線圈與二次側能量線圈的耦合系數。

圖6為同側能量和數據線圈的磁場分布，其中P和D分別為能量和數據線圈中的勵磁電流，實心圓點和實線叉描述了由能量線圈產生的磁場方向，空心圓點與虛線叉描述了由數據線圈產生的磁場方向，圓點表示垂直紙面向外，叉表示垂直紙面向里。

圖6 同側能量和數據線圈磁場分布

分析圖6可知，由能量線圈勵磁電流P產生的磁場穿過數據線圈的磁通為零，由數據線圈勵磁電流D產生的磁場穿過能量線圈的磁通也為零，因此同側能量與數據線圈間的互感13、24均為零，由式（2）可知，13=24=0。理論上同側能量線圈與數據線圈間不存在耦合，即同側能量傳輸與數據傳輸不存在交叉干擾的問題。

為提高能量傳輸的功率與效率，對能量傳輸耦合機構進行仿真優化以獲得最大的耦合系數。圖7給出平面方形線圈的耦合系數12隨線圈參數變化曲線，隨著線圈匝數的增加，能量線圈的耦合系數先增大后減小，結合式（2）可知，在匝數增加的同時，線圈自感與互感均增大，存在最大耦合系數點，由仿真結果知，當=70mm時，能量傳輸耦合機構的耦合系數最大。

圖7 平面方形線圈耦合系數隨內邊長變化曲線

圖8為DD線圈的耦合系數34隨其線圈參數1的變化曲線，線圈參數1可表征線圈匝數。分析圖8可知，隨著線圈匝數的增加，耦合系數先增大后減小，與平面方形線圈的變化趨勢一致，且均存在最大耦合系數點，通過分析圖6可以發現，DD線圈可等效為兩個平面矩形線圈通過特定方式串聯組成，這是兩種磁耦合機構的耦合系數隨線圈匝數變化一致的原因。由仿真結果可知，當1=24mm時，數據傳輸磁耦合機構的耦合系數最大。

能量與數據線圈放置的相對角度會影響一次側能量線圈與二次側數據線圈間的耦合系數14，進而影響能量傳輸與數據傳輸間的干擾程度。圖9給出了耦合系數14隨兩個線圈放置相對角度變化曲線。當相對角度為0°時，14最小，由此計算得到能量傳輸對數據傳輸的干擾系數pd=5.8′10-5，數據傳輸對能量傳輸的干擾系數dp=5.0′10-6，干擾系數pd與dp均極小，因此在本系統中，能量傳輸與數據傳輸間的干擾可忽略。

圖9 一次側能量線圈與二次側數據線圈間耦合系數隨相對角度變化曲線

3 能量與數據傳輸分析

3.1 能量傳輸電路分析

圖10為能量傳輸分析電路。能量線圈用受控源等效模型代替，圖1中的整流濾波與負載電路用等效電阻E代替，If1為AB1作用時補償電感f1中電流；RE為AB1作用時等效電阻E中電流。由文獻[23]可知，其與負載電阻L關系為

采用基波分析法對電路進行分析，UAB1為逆變器輸出電壓UAB的基波有效值，由傅里葉分解可知，UAB1與Uin關系為

圖10點畫線框內為對稱T型電路，給出補償參數調諧方法為

由T型對稱電路的壓流變換特性可知

聯立式（2）、式（7）與式（8）得

等效前后能量守恒，結合式（4）、式（5）、式（9）得

由式（10）可知，能量傳輸系統輸出電流與負載無關，當磁耦合機構參數與直流輸入電壓一定時，可以通過改變一次、二次側補償電感f1與f2來設計系統輸出電流，系統具有較高的設計自由度。

3.2 數據傳輸電路分析

圖11為數據傳輸分析電路。與電能部分分析類似，數據耦合線圈用其受控源等效模型代替，圖中，out為解調電路以及后級電路的等效電阻，3、4分別為一次、二次側數據線圈電流。

圖11 數據傳輸分析電路

定義FSK調制中載波中心頻率avg為

由KCL與KVL，有

聯立式（12）與式（14）得

其中

式中，為一個數字脈沖信號的寬度；為一個碼元所取的離散值個數；為二進制信息的位數。在本研究中，、和分別為1ms、2ms和1ms，進而可求得數據傳輸速率為1Mbit/s。

4 實驗驗證

為驗證上述理論與分析，搭建了如圖12所示的無線能量和數據協同傳輸樣機。圖中，①～⑥分別為能量傳輸直流電壓源、全橋逆變器、電能數據傳輸磁耦合機構、雙邊LCC補償拓撲、不控整流及濾波電路、電阻負載；Ⅰ～Ⅳ分別為信號發生器、數據傳輸輔助電源、數據調制模塊以及數據解調模塊，1與2分別為功率分析儀及示波器。表1給出了樣機主要參數與部分元器件型號。

圖12 無線能量和數據協同傳輸樣機

表1 樣機主要參數與元器件型號

Tab.1 Key parameters and component types of the prototype