基于正交磁场的无线能量和数据协同传输技术

姚友素 唐程雄 王懿杰 刘晓胜 徐殿国

基于正交磁场的无线能量和数据协同传输技术

姚友素 唐程雄 王懿杰 刘晓胜 徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程学院 哈尔滨 150001）

该文提出一种新型的无线能量和数据协同传输方案，通过采用基于平面方形线圈和DD线圈的正交磁耦合机构，降低交叉干扰，拓展设计自由度，简化电路分析。提出基于有限元仿真的正交磁耦合机构优化设计方法，阐明能量传输和数据传输交叉干扰小的原因，研究能量和数据传输特性。为验证理论分析，搭建一个传输距离为130mm、磁耦合机构（包括能量线圈和数据线圈）外尺寸为120mm×120mm×15mm、输出功率为47W的样机，样机效率可达68.4%，数据传输速率为1.0Mbit/s。通过对比数据单独传输及能量和数据协同传输时的波形，证明能量传输和数据传输干扰可忽略。

无线能量和数据协同传输（WPDT） 正交磁耦合机构 双边LCC补偿拓扑 二进制频移键控（BFSK）

0 引言

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[1-5]。在部分WPT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[6-7]。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[8]，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[9]。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）[10]、负载键控（Load Shift Keying, LSK）[11]和频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）[12]，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[13]，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[14-17]，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[18-20]。为此，本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。为验证理论分析，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，系统效率为68.4%，数据传输速率高达1.0Mbit/s。

1 系统简介

图1为无线能量和数据协同传输系统电路。能量传输部分由全桥逆变器（Ⅰ）、双边LCC补偿拓扑（Ⅱ）、能量传输磁耦合机构（Ⅲ）、整流滤波及负载电路（Ⅳ）四部分组成，in为直流输入电压，in为直流输入电流，in为输入滤波电容，Q1～Q4为4个MOSFET，AB和AB分别为逆变器输出电压和电流，f1、f1、1分别为一次侧串联补偿电感、并联补偿电容以及串联补偿电容，1、2分别为能量传输耦合线圈一次、二次自感，1、2分别为一次、二次侧能量线圈电流，12为能量传输线圈互感，f2、f2、2分别为二次侧串联补偿电感、并联补偿电容以及串联补偿电容，VD1～VD4为4个二极管，ab为整流桥输入电压，F为输出滤波电容，L为负载，out为输出电压，R为输出电流。无线数据传输部分（Ⅴ）由信号调制电路、数据传输磁耦合机构、S/S补偿拓扑以及解调电路四个子模块组成，od为发送数据，3、4分别为数据传输系统一次、二次侧补偿电容，3、4分别为数据传输耦合线圈一次、二次侧自感，34为数据传输线圈互感，dd为接收数据。图2为数字信号调制电路，其本质上是半桥逆变器。

图1 无线能量和数据协同传输系统电路

图2 数字信号调制电路

图中，in-d为数据传输电路直流输入电压，Q1d、Q2d为两个MOSFET，其与电容1d、2d构成半桥逆变器，dr1与dr2分别为Q1d和Q2d的驱动信号，两者互补，md为经过FSK调制的信号，(bit)为od与dr1、dr2的关联函数，具体表达式为

当要传输的二进制数据为1时，产生频率为h的高频驱动信号，否则将产生频率为l的低频驱动信号，因此发送数据被调制到不同频率的载波上。

图3为数字信号解调电路。out-d为数据传输接收端未经解调的信号。md通过数据线圈耦合到接收端，经过高通滤波器后连接到两个不同的电路。这两个电路中的放大器、包络检波器和电阻电容低通滤波器电路结构完全相同，仅陷波器的陷波频率不同，陷波器1和2的陷波频率分别为l和h。最后，利用比较器对放大器2和4的输出进行比较，比较器的输出即接收数据dd。

图3 数字信号解调电路

2 正交磁耦合机构优化设计

磁耦合机构是无线能量和数据协同传输系统核心部分，常用的磁耦合机构有平面圆/方形、DD（double D）、扁平螺线管等。平面圆/方形磁耦合机构简单且耦合性能较好，在最大外尺寸相同的情况下，平面方形相较于平面圆形具有更好的耦合性能，本系统能量传输部分采用平面方形线圈作为磁耦合机构；同时为彻底消除同侧能量与数据线圈的之间耦合，数据传输部分采用DD线圈作为磁耦合机构，并且两组线圈共轴垂直放置。

图4 用于能量和数据传输的正交磁耦合机构

图5为能量与数据线圈耦合示意图，线圈间的耦合系数k为

图5 能量与数据线圈耦合示意图

式中，12、34分别为能量、数据线圈耦合系数；13、24分别为一次、二次同侧能量与数据线圈的耦合系数；14为一次侧能量线圈与二次侧数据线圈的耦合系数；23为一次侧数据线圈与二次侧能量线圈的耦合系数。

图6为同侧能量和数据线圈的磁场分布，其中P和D分别为能量和数据线圈中的励磁电流，实心圆点和实线叉描述了由能量线圈产生的磁场方向，空心圆点与虚线叉描述了由数据线圈产生的磁场方向，圆点表示垂直纸面向外，叉表示垂直纸面向里。

图6 同侧能量和数据线圈磁场分布

分析图6可知，由能量线圈励磁电流P产生的磁场穿过数据线圈的磁通为零，由数据线圈励磁电流D产生的磁场穿过能量线圈的磁通也为零，因此同侧能量与数据线圈间的互感13、24均为零，由式（2）可知，13=24=0。理论上同侧能量线圈与数据线圈间不存在耦合，即同侧能量传输与数据传输不存在交叉干扰的问题。

为提高能量传输的功率与效率，对能量传输耦合机构进行仿真优化以获得最大的耦合系数。图7给出平面方形线圈的耦合系数12随线圈参数变化曲线，随着线圈匝数的增加，能量线圈的耦合系数先增大后减小，结合式（2）可知，在匝数增加的同时，线圈自感与互感均增大，存在最大耦合系数点，由仿真结果知，当=70mm时，能量传输耦合机构的耦合系数最大。

图7 平面方形线圈耦合系数随内边长变化曲线

图8为DD线圈的耦合系数34随其线圈参数1的变化曲线，线圈参数1可表征线圈匝数。分析图8可知，随着线圈匝数的增加，耦合系数先增大后减小，与平面方形线圈的变化趋势一致，且均存在最大耦合系数点，通过分析图6可以发现，DD线圈可等效为两个平面矩形线圈通过特定方式串联组成，这是两种磁耦合机构的耦合系数随线圈匝数变化一致的原因。由仿真结果可知，当1=24mm时，数据传输磁耦合机构的耦合系数最大。

能量与数据线圈放置的相对角度会影响一次侧能量线圈与二次侧数据线圈间的耦合系数14，进而影响能量传输与数据传输间的干扰程度。图9给出了耦合系数14随两个线圈放置相对角度变化曲线。当相对角度为0°时，14最小，由此计算得到能量传输对数据传输的干扰系数pd=5.8´10-5，数据传输对能量传输的干扰系数dp=5.0´10-6，干扰系数pd与dp均极小，因此在本系统中，能量传输与数据传输间的干扰可忽略。

图9 一次侧能量线圈与二次侧数据线圈间耦合系数随相对角度变化曲线

3 能量与数据传输分析

3.1 能量传输电路分析

图10为能量传输分析电路。能量线圈用受控源等效模型代替，图1中的整流滤波与负载电路用等效电阻E代替，If1为AB1作用时补偿电感f1中电流；RE为AB1作用时等效电阻E中电流。由文献[23]可知，其与负载电阻L关系为

采用基波分析法对电路进行分析，UAB1为逆变器输出电压UAB的基波有效值，由傅里叶分解可知，UAB1与Uin关系为

图10点画线框内为对称T型电路，给出补偿参数调谐方法为

由T型对称电路的压流变换特性可知

联立式（2）、式（7）与式（8）得

等效前后能量守恒，结合式（4）、式（5）、式（9）得

由式（10）可知，能量传输系统输出电流与负载无关，当磁耦合机构参数与直流输入电压一定时，可以通过改变一次、二次侧补偿电感f1与f2来设计系统输出电流，系统具有较高的设计自由度。

3.2 数据传输电路分析

图11为数据传输分析电路。与电能部分分析类似，数据耦合线圈用其受控源等效模型代替，图中，out为解调电路以及后级电路的等效电阻，3、4分别为一次、二次侧数据线圈电流。

图11 数据传输分析电路

定义FSK调制中载波中心频率avg为

由KCL与KVL，有

联立式（12）与式（14）得

其中

式中，为一个数字脉冲信号的宽度；为一个码元所取的离散值个数；为二进制信息的位数。在本研究中，、和分别为1ms、2ms和1ms，进而可求得数据传输速率为1Mbit/s。

4 实验验证

为验证上述理论与分析，搭建了如图12所示的无线能量和数据协同传输样机。图中，①～⑥分别为能量传输直流电压源、全桥逆变器、电能数据传输磁耦合机构、双边LCC补偿拓扑、不控整流及滤波电路、电阻负载；Ⅰ～Ⅳ分别为信号发生器、数据传输辅助电源、数据调制模块以及数据解调模块，1与2分别为功率分析仪及示波器。表1给出了样机主要参数与部分元器件型号。

图12 无线能量和数据协同传输样机

表1 样机主要参数与元器件型号

Tab.1 Key parameters and component types of the prototype