李建國 張 波 榮 超

近場磁耦合無線電能與信息同步傳輸技術的發(fā)展（下篇）：電路拓撲

李建國 張 波 榮 超

（華南理工大學電力學院 廣州 510640）

近場磁耦合無線電能傳輸（WPT）近十年以來已取得長足發(fā)展，在日常生活中WPT技術隨處可見。實際工程應用中穩(wěn)定可靠的WPT系統(tǒng)的電能發(fā)射端與接收端之間不僅需要建立能量傳輸通道，同時也需要建立數(shù)據(jù)通信鏈路以實現(xiàn)閉環(huán)控制和信息交互，故實際為電能與信息同步傳輸（SWPIT）系統(tǒng)。SWPIT系統(tǒng)可在已有磁耦合WPT電路拓撲的基礎上，通過添加信息調(diào)制與解調(diào)電路實現(xiàn)傳能與通信。該文回顧了近場磁耦合無線電能與信息同步傳輸技術中電路拓撲的發(fā)展，針對電路拓撲、信道優(yōu)化等問題進行分析和歸納，最后展望了SWPIT系統(tǒng)的應用前景與發(fā)展趨勢。

無線電能與信息同步傳輸 電路拓撲 近場磁通信 無線電能傳輸

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術憑借其靈活、可靠、便捷的技術優(yōu)勢，近些年在科研與商業(yè)領域都取得了諸多成果。目前WPT系統(tǒng)形成了以電磁波為主要載體的兩大技術類別：①近場電磁耦合式（Near-field Magnetic Coupling, NMC）：分為電場耦合[1-2]與磁場耦合[3-4]；②遠場射頻式（Far-field Radio Frequency, FRF）：包括微波、毫米波、激光等[5-6]。其中尤以NMC-WPT技術最為成熟，在各種不利于進行有線電能傳輸?shù)膽脠鼍爸袚碛袕V闊的發(fā)展前景，包括植入醫(yī)學設備[7]、移動便攜終端[8]、井下勘探設施[9]、水下自主機器[10]、電動汽車[11-12]等。而FRF-WPT技術以及基于其他媒介（超聲波[13]等）的WPT技術受限于能量傳輸功率與轉化效率，導致研究與應用都較少。

成熟可靠的商用WPT系統(tǒng)本質上是一個電能與信息同步傳輸系統(tǒng)。電能與信息同步傳輸（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer, SWPIT）系統(tǒng)如圖1所示，對于實際工程應用而言，WPT系統(tǒng)為保證能量高效穩(wěn)定地從電能發(fā)射端傳輸至負載接收端，同時負載模塊采集的功能數(shù)據(jù)能高速可靠地反饋至電能發(fā)射側，電能發(fā)射端與負載接收端不僅需要進行能量傳輸，也需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?？傮w而言，SWPIT系統(tǒng)實時通信內(nèi)容可概括為兩大類：①電能傳輸控制數(shù)據(jù)：包括接收側電壓、電流、功率的大小等，主要用于系統(tǒng)的閉環(huán)控制[14]、狀態(tài)監(jiān)測[15]、最大效率/功率跟蹤控制[16]等；②系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)：與系統(tǒng)整體實現(xiàn)的功能與用途有關，如發(fā)射端發(fā)送的功能控制命令[17]、接收端傳感器采集的反饋工作數(shù)據(jù)[18-19]等。研究如何在電能發(fā)射端與接收端之間同時建立穩(wěn)定可靠的無線能量傳輸通道與數(shù)據(jù)通信鏈路，是十分必要且有意義的。

圖1 電能與信息同時傳輸系統(tǒng)

本文將聚焦近場磁耦合能量與信息同步傳輸（Magnetic Coupling SWPIT, MC-SWPIT）技術中可用的電路拓撲，著重闡述已有的電路拓撲結構以及系統(tǒng)控制原理，探究不同電路方案的優(yōu)劣以及適用場合并進行展望與總結。首先介紹了SWPIT的應用場景與系統(tǒng)架構；其次將分析雙工通信MC-SWPIT系統(tǒng)的電路拓撲并比較其性能優(yōu)劣；然后介紹MC- SWPIT系統(tǒng)進行傳能與通信面臨的問題以及可用的優(yōu)化方案；最后展望MC-SWPIT技術的應用前景與發(fā)展趨勢以及總結全文。

1 系統(tǒng)拓撲

MC-SWPIT系統(tǒng)的實現(xiàn)離不開相應的硬件電路，本節(jié)將詳細闡述共享鏈路型與分離鏈路型系統(tǒng)的不同電路拓撲結構，并介紹能量與信息同時傳輸?shù)膶崿F(xiàn)原理、控制策略以及電路優(yōu)缺點。

1.1 共享鏈路型

在共享鏈路型MC-SWPIT系統(tǒng)中，能量流與信息流共用唯一的磁耦合鏈路，可基于一個載波或多個載波完成傳輸。共享鏈路型拓撲僅使用一對線圈即可完成通信與傳能，可在已有的WPT拓撲基礎上做少量改進以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｄ壳霸擃愅負溲芯枯^多，且已有成功的商業(yè)應用案例。該類拓撲既可直接利用能量載波完成信息傳輸，即單載波式融合傳輸系統(tǒng)，也稱為直接能量調(diào)制系統(tǒng)；亦可采用時分復用或頻分復用的方式令信息流與功率流在時域或頻域內(nèi)分離傳輸，減小能量流與功率流之間的相互干擾，即分時傳輸或分頻傳輸系統(tǒng)，基于頻分復用的系統(tǒng)也被稱為載波注入式系統(tǒng)。

1.1.1 融合傳輸（能量調(diào)制）

融合傳輸式MC-SWPIT系統(tǒng)中能量流與信息流共用一個載波（單載波調(diào)制），利用可控開關器件直接對能量載波（電壓、電流）的幅值、頻率、相位等波形特征進行數(shù)據(jù)調(diào)制，從而使信息流與功率流融合傳輸，故又稱為直接能量調(diào)制。該類型電路拓撲實現(xiàn)電能與信息同時傳輸?shù)慕Y構與原理最為簡單，可最大程度復用已有WPT系統(tǒng)中的可控開關作為數(shù)據(jù)調(diào)制電路。單載波系統(tǒng)為降低誤碼率，發(fā)射端與接收端一般采用半雙工通信，為正確區(qū)分下行通信（電能發(fā)射端→電能接收端）與上行通信（電能接收端→電能發(fā)射端）數(shù)據(jù)，需利用電壓/電流載波的不同特征分別進行調(diào)制，單載波調(diào)制需控制的傳能電路部分如圖2所示。

理論上融合傳輸（能量調(diào)制）系統(tǒng)中上下行數(shù)據(jù)的調(diào)制方式可采用幅值鍵控（Amplitude Shift Keying, ASK）、頻率鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）、相位鍵控（Phase Shift Keying, PSK）等單載波調(diào)制方式的排列組合，繼而可衍生出多種不同類型的拓撲，但實際受限于電路實現(xiàn)可行性、能量傳輸效率與信道帶寬等因素，有較高應用價值的拓撲主要有：①電能發(fā)射端采用FSK，接收端采用ASK，稱為調(diào)頻-調(diào)幅型；②電能發(fā)射、接收端皆采用正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM），基于移相全橋構成對稱雙向能量流動系統(tǒng)，稱為移相全橋型。單載波式共享鏈路拓撲性能比較見表1，下文將詳細介紹各拓撲的工作原理。

圖2 單載波融合傳輸式（能量調(diào)制）MC-SWPIT系統(tǒng)

表1 不同單載波融合傳輸型MC-SWPIT系統(tǒng)比較

Tab.1 Comparation of different shared-link MC-SWPIT systemsbased on single-carrier

調(diào)頻-調(diào)幅型MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲如圖3所示，下行通信時電能發(fā)射端可通過調(diào)整逆變器的開關頻率實現(xiàn)FSK以發(fā)送控制數(shù)據(jù)，而電能接收端可以檢測感應電壓的頻率來解調(diào)數(shù)據(jù)；上行通信時電能接收端電路可通過控制調(diào)制電阻/電容的通斷來改變反射阻抗的大?。碙SK）以實現(xiàn)ASK反饋負載數(shù)據(jù)，而電能發(fā)射端可通過檢測感應電流的幅值來解調(diào)數(shù)據(jù)。無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium, WPC）主推的Qi標準[20]在手機無線充電領域廣泛應用該類拓撲。因解調(diào)濾波器存在暫態(tài)響應時間，為降低誤碼率一般一個數(shù)據(jù)位（bit）的調(diào)制需持續(xù)多個載波周期。文獻[22]在該拓撲基礎上利用諧波特性建立狀態(tài)空間模型以計算電流過零點，實現(xiàn)了全橋逆變器的零電流軟開關（Zero Current Switching, ZCS）控制，從而降低開關損耗，使系統(tǒng)效率達到了90%。該拓撲的電路實現(xiàn)與控制都較為簡單，但信息傳輸會對功率傳輸造成不良影響，且通信速率受限于開關頻率故不可能很高，同時解調(diào)誤碼率會受負載與傳輸距離的變化影響，只適用于對通信帶寬要求不高的中小功率應用場合。

圖3 調(diào)頻-調(diào)幅型MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

移相全橋型拓撲基于感應式鏈路實現(xiàn)雙向能量流動與半雙工通信，移相全橋型MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲如圖4所示。電能發(fā)射端與接收端都基于全橋變換器，使用相移脈寬調(diào)制（Phase Shift Pulse- Width Modulation, PS-PWM）技術控制電能傳輸與數(shù)據(jù)調(diào)制；其中信息傳輸采用2-QAM，控制全橋變換器的開關時刻以實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制，電能發(fā)射端與接收端通過檢測補償電容的電壓幅值變化來完成數(shù)據(jù)解調(diào)[21]。該型拓撲可采用模糊自適應控制調(diào)整系統(tǒng)工作頻率以提高線圈抗偏移能力，利用實時通信進行最大功率或最大效率傳輸追蹤控制，并提供過電流保護等功能，同時可根據(jù)負載電能存儲量情況通過“握手”通信選擇能量流動方向。該拓撲的電路實現(xiàn)與控制較復雜，信息傳輸對功率傳輸具有一定影響，通信速率同樣受限于開關頻率，適用于電動汽車充電等需雙向能量流動與信息傳輸?shù)拇蠊β蕬脠龊稀?/p>

圖4 移相全橋型MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

1.1.2 分頻傳輸（載波注入）

共享鏈路型MC-SWPIT系統(tǒng)可使用頻分復用（Frequency Division Multiplex, FDM）實現(xiàn)電能與信息同時傳輸，同時適用于感應式鏈路與諧振式鏈路。該類型系統(tǒng)可使用多個不同頻率的載波分別傳輸能量與信息，但共用磁耦合通道，低頻載波用于傳能，高頻載波用于通信，一般使用高頻變壓器或互感器將信息載波注入功率載波或從中提取出來，故稱分頻傳輸（載波注入式）系統(tǒng)。高頻信息載波發(fā)生器可采用電力電子變換器以提高信息載波發(fā)射能量，從而提高信噪比并降低通信誤碼率。信息載波能量相對較高，通信時需要額外消耗1～2W功率，故僅適用于能量傳輸功率較大的應用；對于小功率應用而言，過大的通信功耗會降低系統(tǒng)整體效率。

根據(jù)信息載波在電路中注入/提取的位置的不同，可將分頻傳輸式系統(tǒng)電路拓撲分為串聯(lián)注入 式[23-27]與并聯(lián)注入式[28-35]，多載波分頻傳輸式MC- SWPIT系統(tǒng)如圖5所示。串聯(lián)載波注入式系統(tǒng)架構中高頻通信變壓串聯(lián)接入線圈與諧振補償網(wǎng)絡之間，故高頻信息以串聯(lián)方式注入或提取；并聯(lián)載波注入式系統(tǒng)架構中高頻通信變壓器并聯(lián)接入線圈與諧振補償網(wǎng)絡之間，故高頻信息以并聯(lián)方式注入或提取。對于分頻傳輸式系統(tǒng)而言，電能發(fā)射端、接收端進行雙工通信（雙向數(shù)據(jù)發(fā)送與接收）時，需要準確分離不同載波信號（即上行信息載波、下行信息載波以及電能載波），目前信號分離主要有以下三種方式：

圖5 多載波分頻傳輸式MC-SWPIT系統(tǒng)（載波注入）

（1）開關切換分離：載波信號的注入/提取共用一對變壓器或互感器，利用可控開關切換至對應的信息接收或發(fā)送電路，僅能實現(xiàn)半雙工通信。

（2）雙工器分離：載波信號的注入/提取共用一對變壓器或互感器，利用濾波器構成的雙工器同時進行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，經(jīng)濾波分離后送至對應電路解調(diào)，可實現(xiàn)全雙工通信。

（3）變壓器分離：載波信號的注入/提取使用兩對變壓器或互感器分別獨立進行，利用濾波器分離信號且發(fā)送與接收不共用電路，可實現(xiàn)全雙工通信。

多載波分頻傳輸式MC-SWPIT（載波注入式）系統(tǒng)拓撲性能比較已歸納總結見表2，該類系統(tǒng)傳能效率較高，通信與傳能相互影響較小且可實現(xiàn)雙工通信，系統(tǒng)有效傳輸距離可從cm級至m級，傳輸功率可從數(shù)百W至數(shù)kW，通信速率可從數(shù)十至數(shù)百kbit/s，其中感應鏈路式系統(tǒng)適用于短距離傳輸，諧振鏈路式系統(tǒng)適用于中距離傳輸，下文將詳細介紹各拓撲的工作原理與電路結構。

多載波分頻傳輸系統(tǒng)一般使用高頻變壓器或互感器，將信息與電能注入復用的電路，其出現(xiàn)較早且近些年研究者較多。早期的分頻傳輸系統(tǒng)為避免開關切換時的電磁干擾（Electromagnetic Inter-ference, EMI）對通信產(chǎn)生影響，只在非開關時間進行數(shù)據(jù)傳輸，并利用電能載波脈沖的上升沿與下降沿作為信息發(fā)送的同步時鐘[15, 37]，通信與傳能并未完全解耦。文獻[23]設計了基于感應式磁耦合鏈路的串聯(lián)載波注入式系統(tǒng)，采用S-P補償網(wǎng)絡。開關切換串聯(lián)注入式半雙工MC-SWPIT拓撲如圖6所示，該系統(tǒng)電能發(fā)射端、接收端電路進行上行或下行通信時利用開關S1、S2切換至相應的信息發(fā)送或接收電路，其中高頻信息載波由諧振型D類功率放大器產(chǎn)生以增強載波能量，信息采用OOK調(diào)制。此外，文獻[34]進一步對高頻信息載波使用BFSK調(diào)制，發(fā)射、接收端都使用LCC型補償網(wǎng)絡，提高了串聯(lián)注入式系統(tǒng)的通信速率與信噪比。

表2 多載波式MC-SWPIT系統(tǒng)比較

Tab.2 Comparation of different multi-carrier MC-SWPIT systems

圖6 開關切換串聯(lián)注入式半雙工MC-SWPIT拓撲

諧振式MC-SWPIT系統(tǒng)相對于感應式系統(tǒng)而言，一般要求更高的線圈品質因數(shù)以提升能量傳輸效率，但這會導致信道帶寬不足無法直接使用載波注入式通信?？墒褂酶唠A補償網(wǎng)絡構成雙頻諧振線圈以提升信道帶寬，兼顧能量傳輸效率與通信帶寬[38-39]。文獻[27]構建了雙諧振單線圈系統(tǒng)的電路模型，推導了磁耦合信道帶寬以及能量與信息載波的串擾公式，給系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計指明了方向。文獻[25-26]在圖6所示的串聯(lián)注入式拓撲基礎上，添加CLC型雙諧振補償網(wǎng)絡并復用線圈，基于諧振磁耦合鏈路實現(xiàn)了中距離能量與信息同時傳輸，采用串聯(lián)式變壓器注入/提取信號載波。通過開關切換至對應的信息發(fā)送或接收電路，故僅能實現(xiàn)半雙工通信；拓撲中電能傳輸功率的增加還會降低信噪比，故其通信速率也會隨之降低。

分頻傳輸系統(tǒng)使用的緊耦合變壓器會增大電路系統(tǒng)的體積，不利于系統(tǒng)小型化。文獻[24]在信息發(fā)送與接收電路中使用4對即插即用的鐵氧體環(huán)互感器替代緊耦合變壓器進行載波注入與提取，鐵氧體環(huán)體積較小且不直接接入電路系統(tǒng)，使用較為方便。4個互感器串聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT拓撲如圖7所示，上行與下行通信分別使用一對獨立的互感器進行串聯(lián)載波注入或提取。信息解調(diào)需先經(jīng)濾波器分離信號，為便于通信解調(diào)系統(tǒng)下行通信與上行通信采用不同頻率的載波。該系統(tǒng)采用DQPSK調(diào)制并依靠E類功率放大器實現(xiàn)信息載波的生成，可進行全雙工通信，有效減小了系統(tǒng)的體積并提升了電路的隔離程度。

圖7 4個互感器串聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT拓撲

信息載波不僅可以串聯(lián)注入功率電路系統(tǒng)，也可并聯(lián)注入以降低電路耦合程度。文獻[28-30]提出并聯(lián)載波注入式系統(tǒng)，信號載波注入與提取使用4個同時并聯(lián)在線圈兩端的變壓器，無需進行發(fā)送和接收電路切換，變壓器分離并聯(lián)注入式MC-SWPIT系統(tǒng)拓撲如圖8所示。系統(tǒng)電能傳輸回路需串聯(lián)阻波電路（LC帶阻濾波器），阻擋高頻信息載波通過電能諧振補償網(wǎng)絡，降低了信息載波的能量損耗；同時阻波電路可通過低頻電能載波，不影響電能傳輸性能，采用ASK對信息進行調(diào)制。但由于上行載波與下行載波頻率相同，故僅能實現(xiàn)半雙工通信，且使用過多緊耦合變壓器會增大系統(tǒng)體積。

圖8 變壓器分離并聯(lián)注入式MC-SWPIT系統(tǒng)拓撲

為基于載波并聯(lián)注入實現(xiàn)全雙工通信，文獻[36]在并聯(lián)注入式系統(tǒng)的電能發(fā)射端、接收端電路中加入由對稱惠斯通電橋、差分放大器以及帶通濾波器構成的通信雙工器，共用一對變壓器進行載波注入與提取實現(xiàn)了全雙工通信，惠斯通橋并聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT系統(tǒng)拓撲如圖9所示?；贔DM令能量傳輸、上行通信、下行通信各使用不同頻率的載波（3個不同頻率的載波）進行傳輸。數(shù)據(jù)調(diào)制采用BFSK以提升抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的有效距離與通信速率；線圈增加抽頭進行部分復用以增加電路設計自由度并降低干擾，使用雙邊LCC補償網(wǎng)絡濾波并實現(xiàn)了零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS），提高了系統(tǒng)傳能效率，無需額外的阻波器。文獻[40]則將該電路的平面單極性線圈改為雙D線圈以改善耦合線圈間的磁場分布，利用其中一個D線圈用以傳輸數(shù)據(jù)，降低了通信功率損耗同時提高了系統(tǒng)的抗偏移能力。

圖9 惠斯通橋并聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT系統(tǒng)拓撲

為減少載波注入所需的變壓器數(shù)量，文獻[31]直接將數(shù)據(jù)調(diào)制與解調(diào)電路并聯(lián)至線圈兩端，并使用四諧振雙頻濾波器構成的雙工器實現(xiàn)了全雙工通信，同樣采用3個不同頻率進行能量與信息傳輸，無變壓器并聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT拓撲如圖10所示。該拓撲無需變壓器或互感器，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)直接從線圈中并聯(lián)注入或提取。

為提升通信速率，可采用多載波調(diào)制技術對信息進行調(diào)制。文獻[35]基于正交頻分復用（Orthogonal FDM, OFDM）技術，在感應式磁耦合鏈路中采用多個低于電能載波頻率的正交子載波并行傳輸信息；數(shù)據(jù)調(diào)制采用多進制QAM（Multi-QAM, M-QAM）并基于實驗驗證了最佳通信子載波數(shù)量，信息載波采用并聯(lián)的方式進行注入/提取，其信號分離所用雙工器由高頻互感器與濾波器構成，拓撲總體架構與圖9類似。文獻[41]使用部分線圈復用與OFDM技術，基于感應式WPT系統(tǒng)將通信速率提升至10Mbit/s。多載波調(diào)制可高效利用有限的磁耦合信道帶寬，大大提升了分頻傳輸式系統(tǒng)的通信速率。

圖10 無變壓器并聯(lián)注入式全雙工MC-SWPIT拓撲

1.1.3 分時傳輸（時分復用）

時分復用（Time-Division Multiplex, TDM）令能量與信息在不同時段分開傳輸，可根據(jù)通信帶寬需求在不同調(diào)制方式的通信電路間進行切換。時分復用MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲如圖11所示，文獻[42]利用時分復用構建了可選通信速率的MC-SWPIT系統(tǒng)，根據(jù)通信速率需求采用不同的通信方式。當通信速率要求不高時使用低速數(shù)據(jù)通信電路（如基于能量載波調(diào)制通信）；而當有大量數(shù)據(jù)傳輸時，可采用高速數(shù)據(jù)通信電路（如基于OFDM的載波注入式通信）。系統(tǒng)可利用開關進行相應功能切換，高速通信時電能傳輸與信息傳輸分時進行，以降低功率載波與信息載波間的干擾，該拓撲低速通信速率為數(shù)kbit/s，但高速通信速率可達數(shù)Mbit/s。

圖11 時分復用MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

1.2 分離鏈路型

分離鏈路型MC-SWPIT系統(tǒng)使用多個磁耦合鏈路分別獨立傳輸能量流和信息流，二者不共用線圈，信息調(diào)制可使用不同性質的載波。信息傳輸可使用正弦載波并利用其幅值、頻率、相位等特征進行數(shù)據(jù)調(diào)制[43-44]；或者利用三角載波的基波分量傳輸能量、諧波傳輸信息[45-46]；還可基于脈沖信號（無載波調(diào)制）進行信息傳輸，使用特定的脈沖序列并利用脈沖的位置、相位等特征進行數(shù)據(jù)調(diào)制[47-49]。早期分離鏈路型系統(tǒng)大都基于旋轉變壓器，傳輸距離較近；目前的系統(tǒng)常基于感應式或諧振式磁耦合鏈路，傳輸距離有了較大提升。分離鏈路型系統(tǒng)可根據(jù)雙工通信與信道帶寬要求使用不同數(shù)量的磁耦合鏈路，系統(tǒng)架構如圖12所示，故可根據(jù)使用的線圈數(shù)量分為以下兩大類。

圖12 分離鏈路型MC-SWPIT系統(tǒng)架構

（1）多發(fā)射多接收型：即傳能與通信分別使用獨立的線圈，既可采用三條獨立通道（三對線圈）分別獨立傳輸能量、上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)[50]，也可采用兩通道（兩對線圈）分別傳輸電能與信息[47, 51]。信息調(diào)制常采用正弦載波調(diào)制或脈沖調(diào)制，通信速率較快且相互干擾較小。

（2）單發(fā)射多接收型：即傳能與通信共用一個發(fā)射線圈，但采用不同的線圈對電能與信息載波進行接收與分離。信息調(diào)制常采用非正弦載波（三角載波），利用基波傳輸能量，諧波傳遞信息[45-46]。

由于分離鏈路式系統(tǒng)采用多對線圈構建物理通道，線圈之間不免存在交叉耦合，在進行電路參數(shù)設計時必須考慮其影響[52]?？闪顐髂茌d波與通信載波采用不同頻率或采取特殊線圈布局來抑制交叉耦合帶來的不良影響。分離鏈路型系統(tǒng)優(yōu)勢在于其采用物理通道隔離來降低通信與傳能的相互影響，因而可提供較高的信道帶寬，傳能電路與通信電路參數(shù)設計可獨立進行，電路控制較簡單；其缺點在于需要使用多個線圈且線圈間存在交叉耦合。在人體植入式醫(yī)療器件中分離鏈路式系統(tǒng)使用較多，因該類應用所需傳能功率較小，而更加重視通信速率以反饋工作信息，故電能傳輸效率非首要考慮因素，常采用E類功率放大器作為逆變電源。分離鏈路型系統(tǒng)還可基于磁耦合對移動物體進行定位[53]。

分離鏈路型系統(tǒng)中，多個發(fā)射與接收線圈可采取平面型布局或立體型布局。平面型布局如圖13a與圖13b所示，傳能與通信線圈既可相鄰放置，也可同軸放置[52]，優(yōu)勢在于占用空間體積較小且容易對準，有利于設備小型化；缺點在于不同線圈間存在一定的交叉耦合。立體型布局如圖13c所示，傳能線圈與通信線圈采用正交擺放，優(yōu)勢在于可最大程度消除交叉耦合的影響[43-44]；但缺陷在于線圈占用空間體積較大且不易對準，空間自由度較小。分離鏈路型系統(tǒng)拓撲性能總結見表3，下文將詳細介紹不同分離鏈路型系統(tǒng)的電路拓撲。

圖13 分離鏈路型系統(tǒng)MC-SWPIT線圈布局

表3 分離鏈路式MC-SWPIT系統(tǒng)比較

Tab.3 Comparation of different separated-link MC-SWPIT systems

1.2.1 多發(fā)射多接收型

多發(fā)射多接收型分離鏈路系統(tǒng)中，最常見的為兩發(fā)射、兩接收線圈系統(tǒng)，即通信與傳能各采用一對線圈。該類系統(tǒng)由于構造了兩條獨立的磁耦合鏈路，故又稱雙鏈路分離式系統(tǒng)。為降低線圈間交叉耦合對通信與傳能的影響，不同學者從不同角度提出了諸多方案。文獻[54]建立了雙感應鏈路分離式系統(tǒng)的物理參數(shù)解析模型，從函數(shù)尋優(yōu)的角度對系統(tǒng)進行總體優(yōu)化，同時對E類逆變器的輸出諧波進行濾波，并在上行通信中使用差分接收線圈來消除發(fā)射電路的諧波影響和遠場射頻干擾，系統(tǒng)電路拓撲如圖14所示，下行通信與傳能基于能量載波進行FSK調(diào)制；而上行通信則使用單獨的通信鏈路以提高通信速率，并利用電能載波恢復解調(diào)所需的同步時鐘信號，可采用BPSK或BASK調(diào)制。此外，還可從線圈產(chǎn)生的磁場極性角度抑制交叉耦合，文獻[55]提出了一種基于磁場解耦合線圈的分離鏈路系統(tǒng)，單極性線圈用于功率傳輸，串接垂直雙極性線圈用于數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射和接收端的數(shù)據(jù)傳輸線圈與功率傳輸線圈被重疊放置，形成緊湊的結構同時擁有較強的抗偏移性能。

圖14 雙鏈路分離式MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

多發(fā)射多接收型分離鏈路系統(tǒng)亦可采用三對發(fā)射與接收線圈分別為電能傳輸、上行信息、下行信息構建獨立的物理通道，三鏈路分離式MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲如圖15所示。文獻[50]利用三對線圈構建了全雙工分離鏈路型系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采用OQPSK調(diào)制，并比較了平面線圈與正交線圈的抗偏移性能，結果證明平面線圈更適合植入式醫(yī)療設備且占用空間體積更小。采用三對線圈可最大程度地提升通信速率，并且信息調(diào)制方式多種多樣不受限制，傳能與通信電路參數(shù)設計可解耦且自由度較高。脈沖式調(diào)制（PDM與PHM）也可用于分離式鏈路系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)通信功率損耗并實現(xiàn)高速可靠通信。

圖15 三鏈路分離式MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

1.2.2 單發(fā)射多接收型

分離鏈路型系統(tǒng)的另一種實現(xiàn)方式是令電能與信息共用發(fā)射電路與線圈，而電能與信息的分離采用不同接收線圈，此即單發(fā)射多接收型分離鏈路系統(tǒng)。文獻[45-46]提出了基于非正弦載波的調(diào)制技術，使用三角電流載波的基波分量傳遞功率，使用其3次諧波分量傳遞信息，三角波調(diào)制MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲如圖16所示。該方案需在接收側增添線圈，可利用移相全橋控制諧波的幅值或頻率實現(xiàn)信息調(diào)制。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于通信功能與負載條件可準解耦控制，通信對傳能效率影響較??；但僅能實現(xiàn)下行通信。

圖16 三角波調(diào)制MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲

1.3 拓撲總結

MC-SWPIT系統(tǒng)基于線圈間的磁場耦合完成能量與信息的同時傳輸。綜上可知，系統(tǒng)既可令能量流與信息流共用一個磁耦合鏈路（一對線圈）進行傳輸，也可令能量流與信息流使用多個磁耦合鏈路（多對線圈）獨立傳輸。故可根據(jù)使用的物理通道數(shù)量（線圈對數(shù)）將MC-SWPIT系統(tǒng)分為兩大類：

（1）共享鏈路型：可共用單磁耦合通道實現(xiàn)能量與信息傳輸。其電路實現(xiàn)方式包括：利用能量載波傳輸信息使電能信息融合傳輸，即能量調(diào)制系統(tǒng)；或將信息載波注入能量載波，并在頻域分離電能與信息，即基于頻分復用的分頻傳輸系統(tǒng)；亦或令信息載波與能量載波分時傳輸并進行功能切換，即基于時分復用的分時傳輸系統(tǒng)。

（2）分離鏈路型：可使用2對或3對線圈構成多個磁耦合通道，分別獨立傳輸能量和信息。根據(jù)線圈擺放位置的不同可分為平面型（線圈同軸或相鄰放置）、立體型（線圈正交放置）；根據(jù)是否共用發(fā)射線圈可分為多發(fā)射多接收型（傳能與通信使用獨立線圈）、單發(fā)射多接收型（傳能與通信使用相同發(fā)射線圈）。

MC-SWPIT系統(tǒng)電路拓撲實現(xiàn)方式多種多樣，如圖17所示，各種方式皆有其優(yōu)缺點與適用場景。分離鏈路型系統(tǒng)常用于對通信帶寬要求較高的場合，其優(yōu)勢在于信息與電能相互影響較小、電路設計與控制較簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較快、實現(xiàn)雙工通信較容易；其缺陷在于使用多個線圈增加系統(tǒng)成本，線圈間存在交叉耦合導致傳能與通信互相影響，線圈位置需特殊擺放故自由度不高。共享鏈路型系統(tǒng)可令能量與信息融合傳輸、分頻傳輸或者分時傳輸；其中融合傳輸系統(tǒng)的通信速率受限于開關頻率故無法很高，且通信會對傳能效率與質量造成不良影響，但電路設計與控制相對簡單，傳能與通信的電路復用度較高，適用于小功率應用；分頻傳輸系統(tǒng)中通信載波頻率與磁耦合鏈路帶寬共同決定通信速率，通信與傳能相互獨立因而可有效提升通信速率，但需引入額外的變壓器或互感器以及高頻載波發(fā)生器進行載波注入/提取，電路參數(shù)設計以及控制都較為復雜，適用于中大功率應用；分時傳輸系統(tǒng)可在不同調(diào)制方式間切換，同時可利用非電能傳輸時間進行通信，提高磁耦合鏈路的利用率，但電能傳輸在時間上不連續(xù)會對傳能效率與電能質量造成一定影響。共享鏈路型系統(tǒng)常用于對系統(tǒng)體積敏感的場合，其優(yōu)勢在于可降低系統(tǒng)體積與成本、實現(xiàn)雙工通信；缺陷在于電路設計與控制較為復雜、通信速率有限、傳能與通信相互影響等。

圖17 MC-SWPIT系統(tǒng)實現(xiàn)方式與分類

不同類型的MC-SWPIT電路拓撲總結見表4，在進行系統(tǒng)設計時需要根據(jù)電能傳輸功率、信息傳輸速率、電路系統(tǒng)體積、系統(tǒng)使用距離等參數(shù)要求，選擇合適的電路拓撲類型與信息調(diào)制方案，盡可能兼顧電能轉換效率與信息傳輸速率。

表4 MC-SWPIT系統(tǒng)實現(xiàn)及其優(yōu)缺點比較

Tab.4 Comparation of different MC-SWPIT schemes

2 系統(tǒng)優(yōu)化

MC-SWPIT系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)是動態(tài)變化的，可能出現(xiàn)線圈偏移或距離變化導致耦合系數(shù)改變、負載功率發(fā)生變化等情況。上述因素引發(fā)的磁耦合鏈路信道條件的改變，會導致系統(tǒng)的傳能與通信功能不穩(wěn)定。為盡可能降低通信電路的加入對傳能電路的影響，提升通信可靠性與傳能效率，可利用MC-SWPIT系統(tǒng)的電路特性與拓撲結構特點，或采取特殊的控制策略對系統(tǒng)進行優(yōu)化，本節(jié)將闡述系統(tǒng)優(yōu)化電路與控制方式的原理。

2.1 信道均衡補償

磁耦合鏈路的穩(wěn)定性會受線圈距離變化與偏移程度的影響，為避免耦合系數(shù)變化影響磁耦合鏈路信道的頻率響應，可添加均衡器（Equalizer, EQ）實現(xiàn)信道補償來保證通信的穩(wěn)定性。文獻[59]提出了一種適用于共享鏈路SWPIT系統(tǒng)的均衡器（即三級級聯(lián)有源濾波器），有助于解決諧振式SWPIT系統(tǒng)信道帶寬不足和帶寬隨耦合系數(shù)變化的問題，增強了信道的穩(wěn)定性并提高了通信速率。添加EQ補償后的電路拓撲如圖18所示，但受限于功率放大器的線性工作范圍以及輸出功率，故只適用于小功率能量傳輸?shù)膽?，無法用于大功率傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

圖18 共享鏈路信道補償原理

2.2 在線參數(shù)估計

SWPIT系統(tǒng)可利用系統(tǒng)本身的通信功能，實時在線跟蹤系統(tǒng)的參數(shù)，調(diào)整包括功率控制與通信協(xié)議相關的參數(shù)。質量因素閉環(huán)控制MC-SWPIT系統(tǒng)如圖19所示，文獻[60]研究了感應磁耦合鏈路中功率和數(shù)據(jù)同時傳輸時能量傳輸效率（Power Transfer Efficiency, PTE）和通信帶寬（Date Communication Bandwidth, DCB）之間的數(shù)學關系，建立了PTE與DCB之間的函數(shù)模型并提出了質量因素（Figure of Merit, FoM）閉環(huán)控制算法，其模型參數(shù)包括耦合系數(shù)、負載電阻和環(huán)境參數(shù)。分析表明，功率和數(shù)據(jù)傳輸之間的最佳平衡依賴于耦合系數(shù)，它是線圈間軸向距離的單調(diào)遞減函數(shù)。可根據(jù)該模型實時調(diào)整磁耦合鏈路參數(shù)（如負載電阻與工作頻率）以及數(shù)據(jù)調(diào)制參數(shù)（調(diào)制方案、調(diào)制深度等），以實現(xiàn)在距離和耦合系數(shù)變化時令傳能與通信達到最佳平衡。此外，文獻[61]提出實時監(jiān)測負載L的變化，當L處于不同阻值區(qū)間時采用不同的調(diào)制策略，以保證變負載時的穩(wěn)定上行通信。

圖19 質量因素閉環(huán)控制MC-SWPIT系統(tǒng)

2.3 利用系統(tǒng)特性

MC-SWPIT系統(tǒng)可利用磁耦合系統(tǒng)的工作特性與電路拓撲特點對系統(tǒng)進行優(yōu)化?？衫妙l率分裂現(xiàn)象降低通信對傳能效率的影響，SF-WPIT系統(tǒng)頻率分裂如圖20所示，文獻[62]利用WPT系統(tǒng)在過耦合區(qū)域時存在的頻率分裂現(xiàn)象，在下行通信中基于兩個分裂頻率點實現(xiàn)FSK調(diào)制，從而使傳能受通信影響較小，并且分裂頻率可使用增量算法在線跟蹤，在線圈距離發(fā)生變化時仍能正常通信。文獻[63]在上行通信中通過在負載接收端切換諧振電容實現(xiàn)FSK調(diào)制，而電能發(fā)射端采用自激電源以實現(xiàn)自動頻率跟蹤，電容陣列投切可降低FSK調(diào)制對電路諧振狀態(tài)的影響。

圖20 SF-WPIT系統(tǒng)頻率分裂

實際工程應用中，大功率WPT系統(tǒng)一般需要加入金屬屏蔽板以消除磁場泄露對人體健康的影響，故可利用屏蔽板間的電容構建磁場-電場混合通道分別進行傳能與通信。磁場-電場混合式SWPIT系統(tǒng)如圖21所示，文獻[64]利用WPT系統(tǒng)中耦合線圈和金屬鋁屏蔽板的寄生電容構成電場耦合鏈路用于傳輸信息，發(fā)射與線圈構成磁耦合鏈路用于傳輸電能。該方法具有良好的靈活性和較大的空間位置偏移冗余度，無需修改系統(tǒng)拓撲結構，包含通信速率快、成本低、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

2.4 高頻開關技術

隨著第三代功率半導體技術的發(fā)展，氮化鎵（GaN）材料制成的全控器件可實現(xiàn)高速開關控制，為信息調(diào)制與功率傳輸?shù)南到y(tǒng)小型化提供了硬件思路如圖22所示。文獻[65]使用多頻直接編程脈沖寬度調(diào)制（Multi-Frequency programmed Pulse Width Modulation, MFPWM）技術[66]利用全橋逆變器直接生成兩種不同頻率的載波，無需使用高頻變壓器進行信息載波注入。該方案需提前計算MFPWM的開關角，可生成26.8kHz的低頻電能載波與991.6kHz的高頻信息載波，采用ASK進行信息調(diào)制，并且信息傳輸對電能傳輸效率影響不大，但信息載波的接收提取仍需使用變壓器。

圖21 磁場-電場混合式SWPIT系統(tǒng)

圖22 多頻直接編程脈沖調(diào)制式MC-SWPIT系統(tǒng)拓撲

3 應用前景

未來MC-SWPIT技術將朝著高速通信與高效傳能的方向發(fā)展，并進一步拓寬其有效工作范圍。伴隨著半導體與數(shù)字控制技術的發(fā)展，系統(tǒng)的能量傳輸功率可從mW級升至kW級，通信速率可從kbit/s升至Mbit/s級，可進一步實現(xiàn)芯片級的高度集成化與小型化，深刻嵌入現(xiàn)代社會的各個領域[67]。隨著MC-SWPIT技術的進一步完善與成熟，有望在以下多個領域取得廣泛應用：

（1）無線能量傳輸加密：能量作為一種有價資源在傳輸時不能被未授權的負載隨意獲取。為防止無線電能在傳輸過程中被非法竊取，必須進行加密傳輸并對負載進行識別，只有擁有無線能量接收許可密匙的合法負載才能接入系統(tǒng)[68]。MC-SWPIT系統(tǒng)可實現(xiàn)負載識別與能量傳輸加密，只有能進行正確應答的負載才能獲取能量；否則，電能發(fā)射端可以拒絕進行能量傳輸以保證能量安全。

（2）無線能量路由網(wǎng)絡：未來隨著無線電能傳輸?shù)钠占?，無線電能系統(tǒng)可構成多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）無線能源網(wǎng)絡，因此功率分配尤為重要。接入該無線能源網(wǎng)絡的電能發(fā)射源或負載必須按需發(fā)射或接收能量，滿足不同電源出力以及負載的供能要求[69]。MC-SWPIT系統(tǒng)的發(fā)射端可構成能量路由器[70]，所自帶的通信功能可完成能量供給與需求通信，從而構建無線能源網(wǎng)絡并按需供給與分配電能資源。

（3）物聯(lián)網(wǎng)設備供電：未來物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）設備將在智能家居中扮演不可或缺的角色，而其擁有諸多傳感器且需連續(xù)工作。MC- SWPIT技術可實現(xiàn)攜能通信，有效延長傳感器的在線工作時間并降低其維護成本。

（4）生物組織植入設備：對于視網(wǎng)膜假體、胃鏡、精準送藥機器人等植入人體組織的設備而言，通常不易采取有線供電。MC-SWPIT技術可有效提高這些醫(yī)學植入設備的使用便攜性與工作時間，提高用戶體驗并減少痛苦。

4 結論

本文回顧了近場磁耦合無線電能與信息同步傳輸技術中電路拓撲的發(fā)展，按照磁耦合鏈路數(shù)量的不同對其進行了劃分與梳理，同時詳細介紹了重要的共享與分離鏈路電路拓撲結構、控制原理以及系統(tǒng)優(yōu)化方向。共享鏈路系統(tǒng)結構與控制較為簡單，但信息與能量融合傳輸會相互影響；而基于多磁耦合通道的分離鏈路型系統(tǒng)以增加線圈和架構復雜度為代價，可進行連續(xù)功率傳輸與高速數(shù)據(jù)通信。在實際MC-SWPIT系統(tǒng)設計中，需要根據(jù)應用場景的通信帶寬與傳輸功率需求，選擇合適的磁耦合鏈路數(shù)量與數(shù)字調(diào)制方案，兼顧高效功率傳輸與高速數(shù)據(jù)傳輸。

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An Overview of Simultaneous Wireless Power and Information Transfer via Near-Field Magnetic Links (Part Ⅱ): Circuit Topology

（School of Electric Power South China University of Technology Guangzhou 510640 China）

Near-field magnetic coupling wireless power transfer technique (WPT) has made great progress in the past decades, which can be seen in daily life. The implementation of reliable WPT system applied in actual scenarios usually requires close-loop feedback control and data interaction. Hence, it is necessary to establish a power link and a telemetry channel between the transmitter and receiver for WPT system, which actually requires simultaneously transmitting power and information (SWPIT). SWPIT system can be implemented by adding communication circuits to the existing WPT topology. This paper reviewed the development of the circuit topology for near-field magnetic coupling SWPIT technology, including circuit implementation and channel optimization, and finally summarized the applicable potential and development trend.

Simultaneous wireless power and information transfer, circuit topology, near-field magnetic communication, wireless power transfer

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211473

TM724

國家自然科學基金資助項目（51437005）。

2021-09-15

2021-11-05

李建國 男，1997年生，碩士，研究方向為無線電能傳輸。E-mail: 202020114446@mail.scut.edu.cn

張 波 男，1962年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: epbzhang@scut.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）