负载供电。
[0033] 如图2所示，本发明提出的一种半双工通信的能量信号并行传输系统，在保留现 有的电源电路、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电路的基础 上，增加了原边通信电路和副边通信电路，具体如图3所示。
[0034] 从图3可以看出，本发明提出的一种半双工通信的能量信号并行传输系统，其能 量耦合机构由两块发射极板和两块接收极板构成，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 和第一变压親合器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。
[0035] 由于电源电路为电流型电源电路，因此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。
[0036] 由于图3所示的ECPT系统包含多组电感和电容储能元件，系统阶次较高不利于系 统的建模与分析，为了进一步理解本发明的工作原理，现针对图3所示电路图进行简化。图 3中存在两组谐振网络（谐振角频率为电能谐振角频率coj，结合图中元件的标注，其参数 应分别满足：
[0038] 对于通信电路而言，图3中直流电源与逆变电路组成的交变电流源可视为断路， 同时将图1中的副边整流滤波电路与负载等效为纯阻性负载。由于信号角频率远大于 电能角频率〇^，令Os=A?M其中A>>1，于是原边通信电路左侧回路阻抗为：
[0040] 副边通信电路右侧支路阻抗为：
[0041] Zright=j入《eLs2+RL~j?sL s2
[0042] 进而图3所示电路图中，通信信道电路可简化为图4,为后续建模与分析降低了难 度。
[0043] 在能量信号并行传输系统中，由于低频的能量波形与高频的信号波形在同一通道 中传递，故能量对信号传递的干扰、新增通信电路对能量传递的影响、信道自身衰减特性都 需要被考虑。其中信道自身衰减特性表现为没有能量干扰时信道输出端的信号电压幅值Usci 与输入端信号电压幅值Usl的电压之比。上述信道自身衰减特性分析利用图4所示等效电 路展开计算。
[0044] 由于电路包含较多元件，故usc]/usl的表达式较为复杂，本文将图4所示电路图分为 5个部分，通过设置过度变量的方式依次给出计算流程。其中图4所示的电路局部阻抗表示 为
[0046] 其中Zd。，Zdl，Zd2,Zd3,Zd4,Zd5所代表的局部位置如图4所示。Z^和Z,4分别表示Zd。和Zd4的反射阻抗，Zg表示紧耦合变压器单侧线圈阻抗。此外，Cs=CslCV(Csl+Cs2)，Cg =Cgl=Cg2，LjPMg分别表示耦合变压器的自感和互感，Rg为耦合变压器两侧的支路电阻。 为了清晰地给出UsciAi1J^表达式，根据KVL和KCL定律分步计算电路中部分电流、电压值之 比为：
[0048] 其中Usi和us。分别为输入输出信号电压幅值，isi为输入信号电流，iCgl,iCsl,iCg2分 别为Cgl,Csl, (^2的电流，Ls2的电压。于是usc/usl的表达式可写为：
[0050] 除了考虑信道自身衰减特性之外，能量对信号传递的干扰、新增通信电路对能量 传递的影响都需要被考虑。其中能量对信号传递的干扰为并联谐振电压Up在耦合变压器 1；信号输出端的响应电压Utl和ut2(如图5所示），本文利用Utl和ut2对up的电压增益来 衡量能量对信号传递的干扰。另外，新增通信电路对能量传递的影响表现为新增通信电路 对负载拾取电压与并联谐振电压up的电压增益比的影响。上述能量对信号传递的干扰 以及新增通信电路对能量传递的影响均利用图5所示等效电路展开计算。
[0051] 由于电路包含较多元件，故UtlAvUt2AvuRl/up三者的表达式较为复杂，本文将图 5所示电路图分为5个部分，通过设置过度变量的方式依次给出计算流程。由于图5中紧耦 合变压器Tgl和Tg2的输入输出端可能连接信号源或信号电压检测电路，依据电路原理，信号 源阻抗视为0,电压检测电路阻抗视为无穷大。故紧耦合变压器Tgl和Tg2的输入输出侧回 路阻抗可写为
[0055] 其中Zel，Ze2,Ze3,Ze4,Ze5如图5所示，Zg表示紧耦合变压器单侧线圈阻抗。Z^表 示的反射阻抗。此外，Zbl表示原边信号支路阻抗，Zb2表示副边信号支路阻抗。为了清 晰地给出UtlAvUt2AvuRl/up三者的表达式，根据KVL和KCL定律分步计算电路中部分电 流、电压值之比为：
[0057] 其中Up为并联谐振电压，ubl和ub2分别为原副边通信电路端电压，ibl和ib2分别 为原副边通信电路电流，iw，iesl分别为电感Lsl，&和Csl的电流，u%为负载端电压，utl 和ut2分别为up在原副边信号拾取端的响应电压。于是utlAvUt2AvuRl/up三者的表达式 可写为：
[0059] 其中Gpmit为能量输入端到原边信号收/发接口之间的增益函数，此时Tgl连接电 压检测电路，Tg2连接信号源，信号由副边向原边传递，此时反向通信时能量输入端到负载之 间的增益函数为Gciutl5Gs_nda"为能量输入端到副边信号收/发接口之间的增益函数，此时 Tg2连接电压检测电路，Tgl连接信号源，信号由原边向副边传递，此时正向通信时能量输入 端到负载之间的增益函数为
[0060] 对于一个确定参数的ECPT系统而言，信号电路参数设计能量信号并行传输至关 重要。由于信号耦合线圈为紧耦合变压器且磁芯相同，故耦合系数k可定义为已知常数。此 外紧耦合变压器两侧支路电阻Rg由紧耦合变压器线圈内阻Rb以及额外串联电阻R 成， 为简化分析，通过改变IU吏得Rg为常数。此外，由于耦合电容Csl和Cs2对高频信号的阻抗 较低，可视为短路；同时补偿电感Lsl和补偿电感Ls2对高频信号阻抗较大，可视为开路，于 是通信回路阻抗主要由两条信号支路阻抗组成。基于此，通信电路的回路阻抗可表示为：
[0062] 为降低信号在回路中的衰减，需将信号工作频率与支路谐振频率点保持一致。即 通信电路支路阻抗虚部满足：
[0063] ImI
[0064] 此外，考虑到能量传递的谐振频率 '和耦合变压器两侧支路电阻Rg为常数，则前 文中考察的三个电压增益仅与如下三个变量有关：即耦合变压器自感Lg，隔离电容Cg和电 能传输系统谐振角频率A。在信号电路参数设计过程中，除了信号衰减需被考虑外，还有如 下几点需考虑：1)为确保可在能量波形中对信号波形进行识别，信号波形的幅值需大于能 量对信号支路的干扰电压幅值的kj咅；2)为确保信号支路的增加对能量传递的影响极小， 原边并联谐振电压到负载电压的增益需大于阈值3)为确保ASK信号解调时0、1信号 的区分，输入信号到拾取信号的幅值增益需大于阈值。
[0065] 综上所述，本发明得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，具体为：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 感值以及所加载的为电能传输系统谐振角频率按照以下约束条件进行参数设置，约束条件 为：
[0067] 其中，Usl为输入信号幅值，up为电能传输系统输入电压幅值，Gcrass(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至IJ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为电能传输系统输入电压幅 值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