Wireless power transfer with a wireless communication co-design

Abstract

Hoje em dia, com o surgimento dos veículos autónomos, sistemas LiDAR (Light Detection and Range) começam a surgir e sensores LiDAR rotativos são usados para avaliar o ambiente que envolve o veículo. Graças ao seu movimento de rotação, a remoção de conexões físicas é de extrema importância. Portanto, métodos que transferem energia e dados sem fios para o sensor LiDAR são de grande importância. Nesta dissertação, foi proposto um co-design entre um sistema de transferência de energia sem fios (WPT) e um sistema de comunicação sem fios, que vão fazer parte do sensor LiDAR rotativo. A transferência de energia e dados entre o automóvel e a parte rotativa é crucial, devido ao facto dos componentes existentes no lado rotativo precisarem de ser alimentados para recolherem informação sobre o que rodeia o veículo e enviá-la para o centro inteligente do automóvel. Considerando que o sistema vai estar no veículo, o co-design vai ter de cumprir especificações muito particulares, tais como as dimensões, o alcance sem fios (por volta de 10 mm), a potência entregue (entre 25 W e 50 W), a velocidade de comunicação (no mínimo de 6,5 Mbit/s), a gama de temperaturas (entre -40 ºC e +85 ºC), e a conformidade EMC. Como o espaçamento sem fios é de 10 mm, foi adotado um método de campo próximo para a transferência de energia sem fios, o acoplamento indutivo. Para avaliar a performance das bobines de transmissão e receção utilizadas neste método, foi utilizado o software HFSS. Esta avaliação determina a influência do número de voltas, do raio interno e externo, do número de camadas e da separação entre voltas na indutância própria e indutância mútua das bobines. Outros testes foram feitos para avaliar a influência da distância entre as bobines, do desalinhamento lateral e angular, da presença de um veio no meio das duas bobines, da presença de obstáculos perto das bobines e de diferentes designs de ferrites na indutância mútua e indutância própria das bobines. Foram especificados e testados dois sistemas de transferência de energia sem fios, um contra o outro, para avaliar a resposta dos mesmos à variação da distância entre as bobines, à variação do desalinhamento angular e lateral e à presença de obstáculos perto das bobines. Um deles destacou-se em todos os testes e foi escolhido para ser utilizado no co-design setup. A comunicação sem fios também tem uma bobine como antena, de modo a manter a comunicação protegida de perturbações externas e assegurar a imunidade ao movimento rotacional a que a antena de transmissão vai ser submetida. Ambas antenas dos sistemas sem fios trabalham com campos magnéticos, e a antena de comunicação é colocada dentro da antena do WPT. Como resultado da grande diferença entre as frequências de operação dos dois sistemas, ambos trabalham em simultâneo sem interferir um com a outra. O sistema WPT final alcançou 81% de eficiência, para distâncias até 15 mm entre bobines. O sistema de comunicação alcança uma velocidade de comunicação de 6,75 Mbit/s, o que é superior aos pedidos 6,5 Mbit/s. Esta comunicação inclui todo o percurso dos dados: a informação flui do sensor LiDAR para o modulo de transmissão através de Ethernet, depois para o módulo Rx através de Wi-Fi e logo de seguida para a central de inteligência do automóvel por Ethernet. Estes resultados foram obtidos utilizando o devkit Olimex GATEWAY, que inclui o modulo ESP32-WROOM-32U com um conector U.FL para se poder ligar uma bobine como antena externa.

Today, when autonomous vehicles are becoming a reality, LiDAR (Light Detection and Range) systems have started to appear and as a result, LiDAR’s rotative sensors are being used to evaluate all the surrounding environment of the vehicle. Due to its rotative motion, the removal of physical connections is of extreme importance. Therefore, wireless methods that transfer power and data to the LiDAR’s sensor are of major importance. In this dissertation, a co-design of a wireless power transfer (WPT) system and a wireless communication link, which is part of the rotative LiDAR’s sensor, is proposed. The transfer of energy and data between the automobile and the specific rotative part is crucial, due to the fact that components on the rotative side of this sensor need to be powered in order to collect the vehicle’s surrounding environment information and relay this to the automobile’s intelligence centre. Considering that the system will be in a vehicle, the co-design deals with very particular specifications such as size, a wireless gap around 10 mm OTA, delivered power range from 25 W to 50 W, a minimum communication baud rate of 6,5 Mbit/s, a temperature range of -40 ºC to +85 ºC, and EMC compliance. As the requested wireless gap is 10 mm, the inductive coupling was the adopted near-field method for the wireless power transfer system. To assess the performance of the transmitter and the receiver coils utilized to communicate in this method, a design was created in HFSS. This evaluation assessed the influence of the number of turns, the inner and outer radius of the coil, the number of layers and the separation between turns in the coils’ self-inductance and mutual inductance. Other tests were also performed to assess the influence of the distance between coils, the lateral and angular misalignments, the presence of a shaft in the middle of the coils, the presence of obstacles close to the coils and different ferrite designs in the mutual inductance and self-inductance of the coils. Two different wireless power systems were specified and tested, one against each other, to evaluate the response to the variation of the distance between coils, the variation of lateral and angular misalignments and the presence of obstacles near the coils. One of these excelled in all tests, which was then selected for the co-design setup. The wireless communication also has a coil antenna that maintains the communication protected from external disturbance and to assure the immunity regarding the rotational motion of the transmitter side. Both wireless systems’ antennas work with a magnetic field, with their communication antenna placed inside the WPT antenna. As a result of the big gap between operating frequencies, both work simultaneously without interfering one with each other. The final WPT proposed system achieved 81% of efficiency, for distances up to 15 mm. The wireless communication reaches a full communication baud rate of 6,75 Mbit/s, which is above the requested 6,5 Mbit/s. This communication includes the full communication link: the flow of information from the LiDAR’s sensor to the Tx module by Ethernet interface, then to the Rx module by Wi-Fi and then again though on Ethernet interface to the vehicle’s central intelligence. These results were obtained with the Olimex GATEWAY devkit board, which includes the module ESP32-WROOM-32U with an U.FL connector to link the communication coil.