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無線能量傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)具有靈活方便、電氣隔離、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決線纜輸電的部分問題，成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。在部分無線能量傳輸系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)用戶識別、狀態(tài)監(jiān)控、閉環(huán)控制及多控制器同步等功能，在進(jìn)行無線能量傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)一次、二次側(cè)需要交互數(shù)據(jù)。

射頻通信技術(shù)與微波通信技術(shù)是兩種常用的通信技術(shù)，但應(yīng)用于無線能量傳輸系統(tǒng)中存在以下問題：隨著無線能量傳輸功率以及系統(tǒng)工作頻率的提高，射頻通信的誤碼率會升高，同時由于標(biāo)準(zhǔn)射頻通信技術(shù)采用公共頻段，難以保證信息安全；無線能量傳輸系統(tǒng)一次、二次側(cè)往往存在較大的偏移，導(dǎo)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(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸問題，人們提出了多種無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸（Wireless Power and Data Transfer, WPDT）方案。

直接調(diào)制電能信號實(shí)現(xiàn)電能和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸是一種有效的解決方案。主要調(diào)制方式有幅移鍵控（Amplitude Shift Keying, ASK）、負(fù)載鍵控（Load Shift Keying, LSK）和頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK），這三種調(diào)制方式中，F(xiàn)SK擁有比ASK和LSK更好的抗噪性能。

由于是直接調(diào)制電能信號，三種調(diào)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(shù)據(jù)傳輸與能量傳輸?shù)慕徊娓蓴_，有學(xué)者借鑒電力線載波通信技術(shù)，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大后耦合到能量傳輸電路進(jìn)行傳輸，在接收端分離出高頻載波信號，最后還原出發(fā)送的數(shù)據(jù)。該方案中能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸共用耦合通道，因此需要額外的數(shù)據(jù)加載及提取電路，數(shù)據(jù)傳輸電

路參數(shù)設(shè)計復(fù)雜，同時功率電路開關(guān)噪聲對數(shù)據(jù)傳輸影響大，限制了系統(tǒng)功率等級的提升，此外系統(tǒng)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(shù)據(jù)能有效解決單耦合系統(tǒng)的問題，能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸使用不同的耦合通道，數(shù)據(jù)傳輸速率不受能量傳輸系統(tǒng)工作頻率的限制，同時不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)加載及提取電路，整個系統(tǒng)的體積相比于單耦合系統(tǒng)大大減小。但目前的雙耦合系統(tǒng)中，仍然存在交叉干擾嚴(yán)重、對解調(diào)電路要求較高的問題。

為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)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(shù)學(xué)報》上撰文，提出了基于正交磁場的無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸方案，以盡量減小能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕徊娓蓴_。由于數(shù)據(jù)線圈匝數(shù)很少，且所用單股銅線很細(xì)，因此引入數(shù)據(jù)線圈對磁耦合機(jī)構(gòu)的體積影響很小。

圖1 無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸樣機(jī)

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(shù)據(jù)，降低了能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕徊娓蓴_，簡化了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。通過所提正交磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法，將平面方形線圈和DD線圈的耦合系數(shù)分別提升了11%和30%。仿真結(jié)果表明，當(dāng)兩種線圈相對角度為0°時，能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸交叉干擾最小。研究人員推導(dǎo)了系統(tǒng)輸出電流和數(shù)據(jù)傳輸增益的解析表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載無關(guān)。

為驗(yàn)證理論分析，他們搭建了傳輸距離為130mm、磁耦合機(jī)構(gòu)外尺寸為120mm×120mm×15mm（其中能量線圈高度為14mm，數(shù)據(jù)線圈高度為1mm）、輸出功率為47W的WPDT樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)傳速率高達(dá)1.0Mbit/s，能量傳輸效率為68.4%，系統(tǒng)具有較好的能量與數(shù)據(jù)交叉干擾抑制能力。

本文編自2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于正交磁場的無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸技術(shù)”。本課題得到了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、電驅(qū)動與電推進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金和國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。