家用电器无线供电关键技术研究

项目围绕家用电器的无线供电关键技术展开研究，达到了项目的预期目标。发表了学术论文17篇，其中SCI检索5篇，EI检索15篇。获权发明专利7项。获得省部级科技进步二等奖1项，IEEE年度优秀论文奖1项。参与国家标准起草、修改和审定2项。在系统高效变换拓扑和稳定性方面，研究了多负载条件下能量传输效率与频率的关系，提出了偏离谐振点的系统设计方法和高效率控制方法，使系统的抗扰性增强，并保证宽功率范围内效率均在90%以上；提出了系统环流控制方法并开发了相应的装置保持系统稳定性；提出了电流型系统的负载自适应控制方法，保证各种不同的负载切换能够自动完成；将同步整流技术引入副边变换，提高系统整体效率。在最优频率点动态跟踪和调节方方面提出了基于静态电容阵列的无线供电系统调频方法和全功率段高效率设计方法与控制方法，让家电系统在空载到满足的效率保持在87%-95%之间。在负载识别方面，针对电压型和电流型系统分别提出了系统启动时固有谐振频率和负载自动确定的方法，该方法采用自由谐振峰值点间距和峰值计算的方法，可以进行精确的计算，保证了系统启动频率和功率控制的可靠性；针对负载甄别分别发表了《基于能量传输通道的IPT系统非法负载检测技术》和《基于最小二乘法的感应电能无线传输系统负载辨识方法》两篇论文，通过计算进行负载识别，识别率达到95%以上；研究了基于信号载波方式和信号与能量分时复用两种方式的能量通道信号交互技术，信号传输速率达到9600bps，满足了负载动态辨识的需求。在系统的建模方面，针对无线电能传输系统损耗的量化计算问题，以电流型谐振式无线电能传输系统为例，对其损耗进行了完整的分析与计算，得到了系统损耗的主要组成部分及主要决定因素，对无线电能传输系统的设计与改进具有重要的参考意义；建立了磁耦合机构与系统电气参数的函数模型，以能效特性作为主要目标，以磁耦合机构的结构特性及频率特性作为约束条件，提出一种具有普遍适用性的磁耦合机构设计流程；针对频率的漂移，系统鲁棒性恶化以及控制器对不确定负载的难控制问题，提出了一种在线稳态的负载识别方法，该方法在IPT系统的新添加电容，使得系统工作在两种模式下，并建立了系统的数学模型；针对系统参数设计，基于谐振网络参数对频率稳定性的影响规律，提出并研究一种使工作频率自然达到相对稳定的谐振网络参数的设计流程。项目成果为家电无线供电技术的发展与应用奠定了基础。

家用电器的便捷、安全供电一直是人们关注的问题。本项目以家用电器应用为背景，拟研究一种低成本、高效率、高品质的家电无线供电解决方案，实现多种家电设备在通用能量发射平台上的优化运行。针对传输效率和供电品质问题，提出并研究一种基于改进型包络线调制机理的无线供电模式；针对通用能量发射平台的多种负载能效优化控制问题，提出并研究一种分段最优频率点动态跟踪调节方法；针对负载有效性识别问题，提出并研究一种基于能量通道的信号交互方法；针对系统优化控制问题，提出并研究一种基于阻抗扫描分析的负载动态辨识方法；针对系统优化与特性分析问题，提出并研究一种全系统、多物理场混合建模方法。以上关键问题的解决，将为家电无线供电技术的发展与应用奠定基础，并丰富无线电能传输的理论技术体系。

在物联网产业发展的过程中，关于泛在无线网络技术的研究进展已经在业界引起了广泛的关注，所涉及的关键无线技术主要包括：末梢感知层的关键技术、网络融合层的关键技术、无线资源管理的关键技术以及对数据进行综合处理的信息处理等关键技术。

本项目从影响无线通信系统级能耗的主要因素出发，探索了新型无线通信系统体系构架及业务服务方式在降低能耗上的关键作用，提出并研究了结合业务内容和分布特性兼顾传输速率需求的若干关键技术，形成了相关的绿色效用模型与优化方法，达到了预期研究目标。取得的主要创新研究成果有： （1）针对提升无线网络能量效率、兼顾用户服务质量的关键问题，分析了能量效率的基本性质，指出了影响能量效率的关键因素，提出了绿色效用模型数学函数的具体表达形式和优化准则；提出了一种基于准凸优化的功率效率优化方法，得到了系统可达能量效率的上界，实现了能量效率与频谱效率的有效折衷。 （2）提出了新型绿色无线网络的体系结构，根据业务特性，引入了两种重构方案，并设计了基于LTE-SAE的无线网络重构体系架构，实现了功率资源与业务之间的匹配优化。在网络信令负载较重的情况下，提出了高效的信令传输方案，将控制信道中面向时敏信令流量的子信道分配问题建模成一个纳什议价问题，优化了信令的排队时延和丢包率，确保了信令的快速可靠传输。 （3）建立了考虑公平性的用户满意度指标，提出了基于用户满意度的高能效资源分配方法，提高了系统能量效率性能达50%；提出了基于延迟容忍度及业务负载的动态传输功率优化调度策略，引入功率调整因子表征传输功率降低的程度，并提取业务特性参数，利用排队论求解实际服务延迟小于延迟容忍的问题，可有效降低30%的传输功率。 （4）针对实际LTE系统对资源块的使用要求及其多天线的基本结构，在面向LTE的MIMO-OFDMA系统中，通过对每个子信道上的子载波和MIMO空间链路进行联合优化，既满足了LTE对于RB使用的规定，又充分利用了MIMO提供的空间复用增益。仿真表明，与现有LTE系统资源分配的备选方案相比，所提算法可提升系统能量效率达60%,降低中断概率40%，在实现能量效率提升的同时，改善了用户的服务质量。 发表SCI论文12篇、EI论文30篇，Google Scholar数据库他引111次；申请发明专利10项、获授权发明专利3项；培养博士后1人、博士研究生4人；获国际会议最佳论文奖1项，参与获得国家自然科学二等奖1项；在本领域顶级国际会议Infocom上组织了相关的Workshop，与本领域国内外专家进行了研讨。 2100433B

近年来移动智能终端和业务的爆炸式增长，导致无线通信的能耗问题日益受到关注。传统的无线通信大多侧重于频谱效率，而针对如何降低系统级能耗的问题，缺乏相关基础研究。本课题结合无线通信系统所承载的业务需求（实时、非实时）、业务内容（热点、非热点）、服务方式（单播、多播）、以及空间分布特性，探索从根本上提高无线通信的功率效率和频谱效率的基础理论和关键支撑技术，研究功率效率优先同时兼顾频谱效率的绿色效用模型与优化理论、业务驱动且资源受限的绿色无线通信系统物理构架和逻辑构架设计与优化、以及面向弹性服务的多业务资源共享机理与调度方式，力争为构建未来绿色无线通信系统奠定关键技术理论基础。