一种半双工通信的能量信号并行传输系统及参数设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种半双工通信的能量信号并行传输系 统及参数设计方法。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT)实现了电源到负载的无线 供电，克服了直接电接触对设备的束缚，解决了移动电气设备（或特殊环境设备）的电能 灵活、安全接入等问题。近年来，电场親合无线电能传输（Electric-fieldCoupledPower Transfer，ECPT)技术成为了无线电能传输领域新的研究热点，ECPT系统的优点包括：具有 耦合电极简易轻薄并且形状不受限制；系统具有较好的柔韧性并且整体的成本低；拾取负 载端电路的设计形式多样性较强；绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干 扰很小；电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。国内外专 家学者围绕移动机器人，生物医学植入设备，3D绝缘硅超大规模集成电路，无线充电器及电 动汽车等诸多应用领域展开研究。
[0003] 目前ECPT系统研究主要侧重于电能的无线传输，但在很多应用领域中不仅需要 能量的无线传输，还需要实现能量与信号的并行传输。国内外学者已围绕WPT系统的能量 信号并行传输展开研究，但主要集中于ICPT系统。由于ECPT系统采用耦合电容代替ICPT 的耦合电感，而电容对高频信号的衰减效果远小于电感，所以ECPT系统的这一本质特性使 得ECPT系统中信号传递效果更优。目前ICPT的能量信号并行传输研究中主要分为以下几 类，（1)是以信号传递为主导，辅以能量传递，适用于mW级小功率设备；（2)是采用电力载 波，通过信号与电能波形分离实现信号传递；（3)是以电压波形为载波通过ASK和FSK等方 式传递信号。在ECPT领域的能量与信号并行传输的研究尚少，仅局限于信号传递主导的小 功率的能量传输。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明首先提出一种半双工通信的能量信号并行传输系 统，在不影响能量传递的前提下，实现了原副边信号半双工无线通信。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
[0006] -种半双工通信的能量信号并行传输系统，包括电源电路、原边功率变换电路、能 量耦合机构、副边功率变换电路以及负载，所述能量耦合机构由两块发射极板和两块接收 极板构成，其关键在于：在两块发射极板之间并联有原边通信电路，在两块接收极板之间并 联有副边通信电路，所述原边通信电路设置有第一隔离电容Cgl和第一变压耦合器Tgl，所述 第一隔离电容Cgl的一端连接在一块发射极板上，该第一隔离电容Cgl的另一端串接所述第 一变压耦合器Tgl的一个绕组后连接在另一块发射极板上，所述第一变压耦合器Tgl的另一 绕组作为原边信号收/发接口，所述副边通信电路设置有第二隔离电容Cg2和第二变压耦合 器Tg2，所述第二隔离电容Cg2的一端连接在一块接收极板上，该第二隔离电容Cg2的另一端 串接所述第二变压耦合器Tg2的一个绕组后连接在另一块接收极板上，所述第二变压耦合 器Tg2的另一绕组作为副边信号收/发接口。
[0007] 本方案在保留现有ECPT系统电路结构的基础上，通过在原副边耦合极板上增加 一对通信电路来进行信号传输，由于ECPT系统是通过电容耦合实现无线电能传输的，而且 高频信号载波通过电容时的衰减会远远小于信号通过耦合电感的衰减，因此在ECPT系统 中实现能量信号并行传输，其效率明显高于在IPT系统中进行能量信号并行传输。同时，原 副边的通信电路是直接连接在耦合极板上，并不用经过调谐电感，通信电路中的隔离电容 可以设置为一个容值较小的电容，对于低频能量波形而言它极大的增加了两条信号支路的 阻抗，有效防止主电路中的能量在信号支路中分流，对于高频信号而言，信号回路以外的支 路阻抗较大，使信号功率更多地保留在信号回路中，实现了能量通道与信号通道的通频带 分离，保证了能量信号并行传输。
[0008] 作为进一步描述，所述电源电路为电流型电源电路，在原边功率变换电路的输出 端连接有两组谐振网络，其中一组谐振网络是由电感Lp和电容Cp构成的并联谐振网络，另 一组是由补偿电感Lsl，补偿电感Ls2和能量耦合机构构成的串联谐振网络，且两组谐振网络 的谐振频率相同。
[0009] 结合上述系统，本发明还提出了一种半双工通信的能量信号并行传输系统的参数 设计方法，其关键在于：所述原边通信电路和副边通信电路中的隔离电容的容值、耦合变压 器等效电感值以及所加载的信号载波与电能传输系统谐振频率比按照以下约束条件进行 参数设置，约束条件为：
[0011] 其中，Usl为输入信号幅值，up为电能传输系统输入电压幅值，G_ss(Lg，Cg，人）为 原边信号收/发接口到副边信号收/发接口之间的增益函数，G__y(Lg，Cg，A)为能量输 入端到原边信号收/发接口之间的增益函数，Gs_ndalT(Lg，Cg，A)为能量输入端到副边信号 收/发接口之间的增益函数，GciutlO^Cg)为反向通信时能量输入端到负载之间的增益函数， Gout2 (Lg，Cg)为正向通信时能量输入端到负载之间的增益函数，ke表示拾取信号幅值与干扰 信号幅值的最小倍数关系；为原边信号收/发接口到副边信号收/发接口之间的最小 增益值；为能量输入端到负载之间的最小增益值，A为信号载波与电能传输系统谐振 频率比，为电能传输系统谐振角频率，Lg=Lgl=Lg2表示原边通信电路和副边通信电路 中的耦合变压器的自感值，Cg=Cgl=Cg2表示原边通信电路和副边通信电路中的隔离电容 的容值。
[0012] 基于上述约束条件对原副边通信电路中的元件参数进行设定，可以有效保证信号 传输质量，克服能量传输与信号传输之间的相互影响，主要理由在于：（1)信号波形的幅值 大于能量对信号支路的干扰电压幅值的kj咅，从而确保可在能量波形中对信号波形进行识 别；（2)输入信号到拾取信号的幅值增益需大于阈值.，从而确保ASK信号解调时0-1 信号的区分；（3)原边并联谐振电压到负载电压的增益大于阈值，从而克服信号支路 的增加对能量传递的影响；(4)需将信号工作频率与支路谐振频率点保持一致，从而降低 信号在回路中的衰减。只要通信电路增加的元件按照上述约束条件进行设定，则可以满足 能量和信号的并行传输。
[0013] 结合具体的应用场景，可以设定拾取信号幅值与干扰信号幅值的最小倍数关系k =0. 3,原边信号收/发接口到副边信号收/发接口之间的最小增益值，能量输 入端到负载之间的最小增益值G^f=0.95。
[0014] 本发明的显著效果是：
[0015] 本发明提出的一种半双工通信的能量信号并行传输系统及其参数设计方法，该系 统在实现能量无线传递的同时，能够进行原副边半双工通信，通过分析能量激励在信号端 口的响应特性以及信号支路对能量传递的影响，确定出了信号支路的参数设计方法，基于 该方法进行参数设定，系统的稳定性和可靠性更高。
【附图说明】
[0016] 图1是传统ECPT系统的电路原理图；
[0017] 图2是本发明的电路原理框图；
[0018] 图3是本发明的电路原理图；
[0019] 图4是本发明ECPT系统通信信道等效电路图；
[0020] 图5是本发明ECPT系统能量通道等效电路图；
[0021] 图6是具体实施例中通信电路的参数选择区域；
[0022] 图7是具体实施例中信道增益与频率的关系曲线；
[0023] 图8是能量在原边通信电路的干扰电压与频率的关系曲线；
[0024] 图9是能量在副边通信电路的干扰电压与频率的关系曲线；
[0025] 图10是原边并联谐振电压到负载电压的增益与频率关系图；
[0026] 图11是无通信功能的ECPT系统能量波形图；
[0027] 图12是无能量传递时信号传递波形图；
[0028] 图13是具有通信功能的ECPT系统能量波形图；
[0029] 图14是能量激励下信号端口输出响应波形图；
[0030] 图15是ECPT系统能量信号并行传输波形图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】以及工作原理作进一步详细说明。
[0032] 如图1所示，一种常见的ECPT电路拓扑，直流电源Ed。与直流电感Ld。串联构成等 效电流源，经过逆变器行成交变电流注入谐振网络。原边极板高频交变的电势差在副边极 板上激发电压，于是将能量传递至副边，经过功率变换后为