CN112803616A - 球状中继线圈和无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球状中继线圈和无线电能传输系统。其中，该球状中继线圈包括：整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，分别表征为神经元的轴突、树突、突触和体细胞，神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，神经元的三维球形结构内部包括体细胞线圈，体细胞线圈作为中继线圈进行能量传递。本发明解决了相关技术中无线功率传输利用率低、位置受限、空间自由度低的技术问题。

Description

球状中继线圈和无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体而言，涉及一种球状中继线圈和无线电能传输系统。

背景技术

当今，无线电能传感技术存在单一负载，只能进行“点对点”式的无线电能传输，系统整体的利用率较低；位置受限，感应式单负载无线电能传输系统只能在发射线圈和接收线圈同轴正对时才能获得最高传输效率，而当线圈位置发生偏移时，传输效率将明显下降；空间自由度低，无线电能传输系统的发射端一旦被固定，接收端的位置也随之固定，难以满足负载位置灵活多变的要求。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种球状中继线圈和无线电能传输系统，以至少解决相关技术中无线功率传输利用率低、位置受限、空间自由度低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种球状中继线圈，包括：整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，分别表征为神经元的轴突、树突、突触和体细胞，所述神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，所述神经元的三维球形结构内部包括体细胞线圈，所述体细胞线圈作为中继线圈进行能量传递。

可选地，所述轴突线圈通过突触线圈通道将能量传输到所述树突线圈。

可选地，相邻的所述突触线圈平行排列，相邻的所述突触线圈之间的距离大于第一预设距离且小于第二预设距离。

可选地，所述神经元的三维球形结构内部的线圈形成一个相互耦合的磁感应网络，其中，所述神经元的三维球形结构内部的线圈的方向和功率与所述树突线圈的方向和功率相适配。

可选地，所述能量在所述轴突线圈之间均匀分布，在满足接收功率阈值时以不平衡的方式向相邻的神经元发射等量的输出功率。

可选地，所述球状中继线圈以信号的形式传输所述能量，同时从相邻的所述突触线圈收集所需的所述能量。

可选地，所述球状中继线圈的材质为石墨烯。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种无线电能传输系统，所述系统包括上述中任意一项所述的球状中继线圈。

可选地，所述系统还包括：通信单元，与外部状态阅读器和计算机接口连接，用于将所述球状中继线圈的神经元网络的状态传输至所述外部状态阅读器和计算机接口。

可选地，所述系统还包括：外部设备，与所述外部状态阅读器和计算机接口连接，用于分析和存储所述球状中继线圈的神经元网络的状态。

在本发明实施例中，采用整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，分别表征为神经元的轴突、树突、突触和体细胞，所述神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，所述神经元的三维球形结构内部包括体细胞线圈，所述体细胞线圈作为中继线圈进行能量传递，通过将球状中继线圈应用于无线功率传输，可以在保持超低能耗的同时，实现传输高效率和线圈高自由度的要求的技术效果，进而解决了相关技术中无线功率传输利用率低、位置受限、空间自由度低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的球状中继线圈类比于神经元的三维球形的结构图；

图2是根据本发明实施例的基于二维线圈组的功能类比生物神经元的示意图；

图3是根据本发明实施例的单电感线圈及其电路在基板上的俯视图；

图4是根据本发明实施例的单电感线圈及其电路在基板上的侧视图；

图5是根据本发明实施例的基于固定基底结构上由三个多面体神经元组成的神经形态网络和计算机接口的外部磁感应读取器的网络图；

图6是根据本发明实施例的各线圈相同的双端口电路理论模型图；

图7是根据本发明实施例的将三维多面体神经元等效为在平面基底上具有线圈阵列的层状神经形态无线电能传输硬件图；

图8是根据本发明实施例的用于模式识别的三层神经形态无线电能传输网络立体图；

图9是根据本发明实施例的用于模式识别的三层神经形态无线电能传输网络侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种球状中继线圈，图1是根据本发明实施例的球状中继线圈类比于神经元的三维球形的结构图，如图1所示，该球状中继线圈包括：整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，分别表征为神经元的轴突、树突、突触和体细胞，神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，神经元的三维球形结构内部包括体细胞线圈，体细胞线圈作为中继线圈进行能量传递。

在一种可选的实施方式中，可以基于无线功率传输的磁感应神经元建模。将整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，可分别表征为生物学神经元意义上的轴突、树突、突触和体细胞；神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，内部为体细胞线圈，作为中继线圈，进行能量传递。

在上述本发明的实施例中，通过将球状中继线圈应用于无线功率传输，可以在保持超低能耗的同时，实现传输高效率和线圈高自由度的要求的技术效果，进而解决了相关技术中无线功率传输利用率低、位置受限、空间自由度低的技术问题。

需要说明的是，通过上述实施方式可以将生物意义上的神经元细胞类举为线圈，结合神经元细胞的信息传输方式，提出基于无线功率传输的神经形态设计和理论建模。在二维圆形和三维戈德堡多面体基底上对亚太赫兹频率下的微尺度石墨烯线圈进行了独特的神经元结构化设计，从而实现低功耗的同时，还可以解决无线通信、存储和计算任务集成问题。

在一种可选的实施方式中，神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分。内部为体细胞线圈，作为中继线圈，进行能量传递。戈德堡多面体是由六边形和五边形组成的凸多面体，用GV(m,n)表示，有20T个顶点，30T条边，10T+2个面，由12个五边形和10个(T-1)六边形组成，其中，T＝m²+mn+n²。

以m＝2，n＝1为例，这种三维球形结构与碳原子团簇的拓扑结构具有物理相似性，可以产生均匀的磁场分布。

可选地，上述轴突线圈通过突触线圈通道将能量传输到树突线圈。

图2是根据本发明实施例的基于二维线圈组的功能类比生物神经元的示意图，如图2所示，将整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，可分别表征为生物学神经元意义上的轴突、树突、突触和体细胞，基于无线电能传输的神经形态系统来实现轴突、树突和体细胞功能，利用基于谐振线圈的神经元结构实现非线性和激活功能等突触可塑性规则。磁感应神经元基于无线电能传输作为一种能量流动模型，通过谐振线圈的产生能量，由树突线圈来接收能量，整个体细胞线圈作为中继线圈，将能量再传递到轴突线圈。轴突线圈通过突触通道将能量发送到下一个树突线圈，以此进行能量传递。需要说明的是，上述轴突线圈和树突线圈均可以进行能量传输和接收。

可选地，相邻的突触线圈平行排列，相邻的突触线圈之间的距离大于第一预设距离且小于第二预设距离。

需要说明的是，上述第一预设距离小于第二预设距离，其中，第一预设距离、第二预设距离可以根据应用场景需要而设置。

在一种可选的实施方式中，轴突线圈通过变化的磁场将能量传递给树突线圈，相邻的突触线圈平行排列，其之间的线圈间距离可变。大量变化的磁场组成了一种基于线圈间距离、方向、谐振频率和线圈特性的自适应能量传输的磁感应结构。

可选地，上述神经元的三维球形结构内部的线圈形成一个相互耦合的磁感应网络，其中，神经元的三维球形结构内部的线圈的方向和功率与树突线圈的方向和功率相适配。

可选地，能量在轴突线圈之间均匀分布，在满足接收功率阈值时以不平衡的方式向相邻的神经元发射等量的输出功率。

在一种可选的实施方式中，以轴突线圈之间不同程度的平衡来组织从树突接收到的能量到轴突的分布。能量在轴突线圈之间均匀分布，或在满足阈值接收功率水平时以不平衡的方式向相邻神经元发射等量的输出功率。

可选地，上述球状中继线圈以信号的形式传输能量，同时从相邻的突触线圈收集所需的能量。

在一种可选的实施方式中，球状中继线圈利用了神经系统中基于激活电位过程所产生的基础的激励和整合机制。线圈以信号的形式传输能量，同时从相邻的突触收集所需的能量。突触权重增强提高了相邻神经元的无线功率传输效率。因此，与触发消耗每个神经元能量的化学事件的动作电位相比，无线功率传输触发向邻近神经元的传输更为方便，所需的动作电位更低，功耗更小。

可选地，上述球状中继线圈的材质为石墨烯。

在一种可选的实施方式中，上述球状中继线圈为石墨烯线圈，其中，石墨烯线圈结构具有石墨烯原子级尺寸、高强度、高电流容量、平面结构、易制造、超低重量和柔韧性等重要的电气、机械和几何优势。

图3是根据本发明实施例的单电感线圈及其电路在基板上的俯视图，图4是根据本发明实施例的单电感线圈及其电路在基板上的侧视图，如图3，4所示，从俯视图和侧视图可以看出，线圈整体由石墨烯层制成，厚度为h，宽度为w，线圈半径为r，利用厚石英基底去降低整体基底损耗，线圈连接电路，实现能量采集、电压源激活和开关。

实施例2

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种无线电能传输系统，该系统包括上述中任意一项的球状中继线圈。

可选地，上述系统还包括：通信单元，与外部状态阅读器和计算机接口连接，用于将球状中继线圈的神经元网络的状态传输至外部状态阅读器和计算机接口。

可选地，上述系统还包括：外部设备，与外部状态阅读器和计算机接口连接，用于分析和存储球状中继线圈的神经元网络的状态。

图5是根据本发明实施例的基于固定基底结构上由三个多面体神经元组成的神经形态网络和计算机接口的外部磁感应读取器的网络图，如图5所示，利用感应线圈电路形成的神经形态无线电能传输的网络图，球状线圈类似于神经元单元附着在具有固定结构的多面体基底上。多个突触通道实现各个线圈和基底的联系。用外部状态阅读器和计算机接口来分析和读取神经形态网络的状态。例如，读取每个线圈单元的适应电压水平、负载阻抗和存储的能量。并在线圈电路中为磁感应通信提供一个子单元，通过子单元将磁感应通信的状态传递给外部阅读器。外部系统通过计算机接口与阅读器相连，状态在外部系统中存储和分析。同时，通过调节能量流，使复杂的线圈几何形状作为一个神经元网络，其中每个线圈被视为单个神经元，基于神经形态的无线电能传输系统将不受特定神经元几何形状的限制。

图6是根据本发明实施例的各线圈相同的双端口电路理论模型图，如图6所示，根据球形中继线圈的双端口电路理论模型，阻抗可以表示为Z_self＝R+τLω，其中，线圈电阻R、电感L取决于ω尤其是高频电感和纳米级尺寸建模实现石墨烯电感。将整个球状线圈类举为神经元细胞，则神经元间单个能量传递的轴突线圈和突触线圈建模时不考虑任何有源电压源，树突线圈和中心细胞核线圈分别采用有源电压源V_d,j和V_c,j，其中，j为对应线圈组的标号。则第j组的轴突、突触、树突和细胞核线圈上的感应电压分别为

和

电感部分的电流分别为I_a,j，I_s,j，I_d,j和I_c,j。电压源与电流的关系如下所示：

其中互感矩阵定义为：

基于线圈的双端口模型，计算标号为s1的集合的第i个线圈与标号为s2的集合的第j个线圈之间的互感M_s1,s2(i,j；t)。其中，互感公式如下所示：

由上述互感公式可知，当神经元间能量通过突触通道传递时，当第j组树突线圈处于发送模式时，相邻神经元对应的轴突线圈处于接收模式。

图7是根据本发明实施例的将三维多面体神经元等效为在平面基底上具有线圈阵列的层状神经形态无线电能传输硬件图，图8是根据本发明实施例的用于模式识别的三层神经形态无线电能传输网络立体图，图9是根据本发明实施例的用于模式识别的三层神经形态无线电能传输网络侧视图，如图7、图8、图9所示，根据上述对球状线圈互感系数、线圈电压的推导，以及对上述神经形态无线电能传输的网络图进行深入分析，将其球状结构解剖为平面结构。通过将每个线圈视为单个神经元单元，把线圈平行放置在平面基底上。第一层传送能量，最后一层接收能量，类似于发送和接收神经元。中间层在多个神经元单元之间调整突触权重，调节能量流的方向和幅度。通过分别改变每个线圈的负载阻抗Z_L，当目标符号进行不断重复学习后，便可通过检查第三层中接收的功率分布来区分每个发射符号。例如，每个符号Tx_sym,i都被映射到一个接收到的符号Rx_sym,j，经过适当的学习周期后，已适应的负载阻抗集包括第二层和第三层的全部阻抗值。假设V_Tx,i对应于第1层中Tx_sym,i各自黑箱位置的单位电压激励，第三层接收功率用矩阵P_Rx,i表示，即与线圈位置坐标对应的数组。它们之间的相关性定义如下：

Corr(i,j)＝P_R,F(i,j)-P_R,B(i,j)

＝P_Rx,i⊙(2Rx_sym,j-1)

P_R,F(i,j)≡P_Rx,i⊙Rx_sym,j

P_R,B(i,j)≡P_Rx,i⊙(1-Rx_sym,j)

其中，P_R,F(i,j)，P_R,B(i,j)为Rx_sym,j在前景和背景接收到的功率电平所匹配的接收符号。根据输入与输出之间的映射关系，当i＝j时，Corr(i,j)会最大化。因此，由于相关性达到最大化，整个模式识别网络可将一个特定的符号映射到一个独特的负载阻抗和突触权重网络，从而在接收层获得一个独特的功率分布。因此，可以通过模式识别判断这种球状线圈中处于工作状态的线圈和所传递的功率，从而进行能量调节和优化，实现在无线通信的同时，尽可能达到低功耗。由于整个球状线圈网络可以不断的通过突触通道进行能量传输，可以大大的提升系统的整体利用率和传输效率。并且因为球状线圈位置的不断移动，负载位置也不再固定，提高了负载的灵活度。通过线圈外部所接的状态阅读器和计算机接口来分析和读取整个球状线圈网络的工作状态，解决了存储和计算任务集成问题。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种球状中继线圈，其特征在于，包括：整个球状中继线圈分为四种不同的线圈组，分别表征为神经元的轴突、树突、突触和体细胞，所述神经元的三维球形结构外壳包括轴突线圈和树突线圈，分别作为能量传输和接收部分，所述神经元的三维球形结构内部包括体细胞线圈，所述体细胞线圈作为中继线圈进行能量传递。

2.根据权利要求1所述的线圈，其特征在于，所述轴突线圈通过突触线圈通道将能量传输到所述树突线圈。

3.根据权利要求2所述的线圈，其特征在于，相邻的所述突触线圈平行排列，相邻的所述突触线圈之间的距离大于第一预设距离且小于第二预设距离。

4.根据权利要求2所述的线圈，其特征在于，所述神经元的三维球形结构内部的线圈形成一个相互耦合的磁感应网络，其中，所述神经元的三维球形结构内部的线圈的方向和功率与所述树突线圈的方向和功率相适配。

5.根据权利要求4所述的线圈，其特征在于，所述能量在所述轴突线圈之间均匀分布，在满足接收功率阈值时以不平衡的方式向相邻的神经元发射等量的输出功率。

6.根据权利要求5所述的线圈，其特征在于，所述球状中继线圈以信号的形式传输所述能量，同时从相邻的所述突触线圈收集所需的所述能量。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的线圈，其特征在于，所述球状中继线圈的材质为石墨烯。

8.一种无线电能传输系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至7中任意一项所述的球状中继线圈。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：通信单元，与外部状态阅读器和计算机接口连接，用于将所述球状中继线圈的神经元网络的状态传输至所述外部状态阅读器和计算机接口。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：外部设备，与所述外部状态阅读器和计算机接口连接，用于分析和存储所述球状中继线圈的神经元网络的状态。

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