哈尔滨工业大学科研团队提出一种新型无线能量和数据协同传输技术

无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术具有灵活方便、电气隔离、环境适应性强和易维护等优点，能够解决线缆输电的部分问题，成为当下的研究热点。在部分无线能量传输系统中，为了实现用户识别、状态监控、闭环控制及多控制器同步等功能，在进行无线能量传输的同时，系统一次、二次侧需要交互数据。

射频通信技术与微波通信技术是两种常用的通信技术，但应用于无线能量传输系统中存在以下问题：随着无线能量传输功率以及系统工作频率的提高，射频通信的误码率会升高，同时由于标准射频通信技术采用公共频段，难以保证信息安全；无线能量传输系统一次、二次侧往往存在较大的偏移，导致对偏移较敏感的微波通信可能失效。为解决无线能量传输系统中的数据传输问题，人们提出了多种无线能量和数据协同传输（Wireless Power and Data Transfer, WPDT）方案。

直接调制电能信号实现电能和数据协同传输是一种有效的解决方案。主要调制方式有幅移键控（Amplitude Shift Keying, ASK）、负载键控（Load Shift Keying, LSK）和频移键控（Frequency Shift Keying, FSK），这三种调制方式中，FSK拥有比ASK和LSK更好的抗噪性能。

由于是直接调制电能信号，三种调制方式对功率传输影响大、通信速率低且不适用于大功率场合。为提高通信速率，减小数据传输与能量传输的交叉干扰，有学者借鉴电力线载波通信技术，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到能量传输电路进行传输，在接收端分离出高频载波信号，最后还原出发送的数据。该方案中能量传输与数据传输共用耦合通道，因此需要额外的数据加载及提取电路，数据传输电

路参数设计复杂，同时功率电路开关噪声对数据传输影响大，限制了系统功率等级的提升，此外系统对载波频率有一定要求。

使用双耦合通道分别传输电能与数据能有效解决单耦合系统的问题，能量传输与数据传输使用不同的耦合通道，数据传输速率不受能量传输系统工作频率的限制，同时不需要复杂的数据加载及提取电路，整个系统的体积相比于单耦合系统大大减小。但目前的双耦合系统中，仍然存在交叉干扰严重、对解调电路要求较高的问题。

为此，哈尔滨工业大学电气工程学院的研究人员姚友素、唐程雄、王懿杰、刘晓胜、徐殿国，在2022年第8期《电工技术学报》上撰文，提出了基于正交磁场的无线能量和数据协同传输方案，以尽量减小能量传输和数据传输的交叉干扰。由于数据线圈匝数很少，且所用单股铜线很细，因此引入数据线圈对磁耦合机构的体积影响很小。

图1 无线能量和数据协同传输样机

他们指出，通过采用平面方形线圈和DD线圈分别传输能量和数据，降低了能量传输与数据传输的交叉干扰，简化了系统参数设计。通过所提正交磁耦合机构优化方法，将平面方形线圈和DD线圈的耦合系数分别提升了11%和30%。仿真结果表明，当两种线圈相对角度为0°时，能量传输与数据传输交叉干扰最小。研究人员推导了系统输出电流和数据传输增益的解析表达式，发现输出电流与负载无关。

为验证理论分析，他们搭建了传输距离为130mm、磁耦合机构外尺寸为120mm×120mm×15mm（其中能量线圈高度为14mm，数据线圈高度为1mm）、输出功率为47W的WPDT样机。实验表明，数据传速率高达1.0Mbit/s，能量传输效率为68.4%，系统具有较好的能量与数据交叉干扰抑制能力。

本文编自2022年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于正交磁场的无线能量和数据协同传输技术”。本课题得到了中央高校基本科研业务费、电驱动与电推进技术教育部重点实验室开放基金和国家自然科学基金资助项目的支持。