CN115809627B

CN115809627B - 一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法

Info

Publication number: CN115809627B
Application number: CN202211553408.2A
Authority: CN
Inventors: 赵燕冉; 王文思; 吉彦平; 魏韵璋; 刘文涛
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-12-06
Filing date: 2022-12-06
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2042-12-06
Also published as: CN115809627A

Abstract

本发明公开了一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法,包括超声驱动摩擦纳米发电机制作模块、超声驱动摩擦纳米发电机等效电路模型自适应RLC跟踪算法设计模块以及超声驱动摩擦纳米发电机的电源管理模块。本发明为一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，针对超声驱动摩擦纳米发电机提出一种适用于电路仿真软件的USD‑TENG的电路等效模型并对其进行相应的电源管理电路设计，使得超声驱动无线能量传输更安全、更高效，从而解决摩擦纳米发电机等效电路模型不适用于电路仿真软件以及因其电压、电流相位差带来的能量损耗问题和带载能力弱等问题。

Description

一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机无线能量传输技术领域，尤其是涉及一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法。

背景技术

植入式设备作为穿戴式设备的前沿技术发展产物，很明显植入型设备比穿戴型设备更方便携带，但是带来的另一个问题，也是最大问题就是拆装变得极为不便，因为无论是将电池放入体内，还是频繁地将这些设备从体内取出补充能量都是不现实的。在植入式器件中，器件的供电方式往往是电池供电，在电池的电量耗尽时，需要利用手术的方式将电池进行更换以保证器件的继续使用，这种进行频繁手术的方式会给生物体带来身体上的痛苦，并且还可能因为手术时伤口的感染使得病情加重。生物体植入设备当前面临最大的技术瓶颈，是其缺乏可靠的供电方式。现有植入式电子设备供电方式主要分为两大类：无线能量传输技术和自驱动技术。现有的无线能量传输技术均存在一定的技术问题，电感耦合式无线能量传输无法穿透金属介质进行无线能量传输，这很大的限制了该技术的应用范围；电容耦合式无线能量传输由于金属板尺寸的相应限制，电容值较难提升，其能量传输功率有限；射频微波耦合式能量传输因为聚焦时所需发送端和接收端器件之间的同轴对准精度要求较高，从而难以实现在较长距离下进行传输；激光耦合式能量传输因为光会向远离植入式器件的方向散射并且被人体组织吸收，因此，对于应用于植入式的激光耦合式能量传输，目前还有较长的路要走。

现有的超声耦合无线能量传输系统大多采用压电陶瓷作为能量传输器件，因其具有良好的压电效应，可实现较高效率的无线能量传输，但因传统压电陶瓷主要是以含铅的锆钛酸铅(PZT)系材料为主，其主要成分是氧化铅(60％～70％以上)，氧化铅是一种易挥发的有毒物质，因此并非是植入式无线能量传输器件的最佳选择。摩擦纳米发电机(TENG)也因利用生物体机械运动而产生的能量极其有限，因此也不适用于为植入式电子设备进行供电。后者提出的超声驱动摩擦纳米发电机不仅解决了压电陶瓷PZT带来的毒性问题，也解决了摩擦纳米发电机(TENG)能量低的问题，为植入式电子设备供电问题提供新思路。但现有的对摩擦纳米发电机的电源管理电路的设计太过缺乏。现有对摩擦纳米发电机的等效电路模型大多采用电压源串联可变电容来实现，可变电容在电路仿真软件中较难实现，为后续摩擦纳米发电机(TENG)的电源管理电路设计带来极大难度，且现有关于摩擦纳米发电机(TENG)电源管理电路的设计均未考虑由其电压与电流之间的相位差而引起的能量损耗问题，且现有的摩擦纳米发电机因其具有较大的阻抗其带载能力较弱，存储效率不高，需对其进行相应的阻抗匹配电路设计提高其带载能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，解决上述技术存在的现有的摩擦纳米发电机等效电路模型不适用于电路仿真软件以及因其电压、电流相位差带来的能量损耗问题和带载能力弱等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，包括以下步骤：

S1、通过有限元仿真软件仿真超声驱动摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流确定其相关参数，并制作其实物进行相应的实验测试；

S2、根据USD-TENG的测试波形通过自适应RLC跟踪算法设计适用于电路仿真软件的电路等效模型；

S3、针对USD-TENG电路等效模型设计一个包含高效整流以及阻抗匹配的电源管理电路。

优选的，所述步骤S1中的摩擦纳米发电机从上至下的结构依次是上电极层、上摩擦层、由支撑层形成的气腔、下摩擦层以及下电极层。

优选的，所述步骤S2中设计所述电路等效模型过程如下：

a、首先将实验测试的超声驱动的摩擦纳米发电机的开路电压V(t)与短路电流I(t)波形输入然后进行扫描，将波形解析为相应的函数表达式

其中函数f₁、f₂为波形扫描解析后得到的函数，V_m1、I_m2为开路电压V(t)、短路电流I(t)的幅值，t为时间，

为开路电压V(t)、短路电流I(t)的相位；

b、通过自适应RLC跟踪算法确定电流源Is参数取值，以及电阻R、电感L、电容C的参数取值和串、并联结构以及多阶组合结构，得到等效电路模型输出开路电压V′(t)、短路电流I′(t)的函数表达式

f_xi和f′_xi为各元器件与开路电压V′(t)和短路电流I′(t)之间一一对应的函数关系表达式，其中x取1或2或3或4，A_xi为各元器件参数取值，函数关系表达式和参数取值均由自适应RLC算法确定，将其等效输出波形结果与输入的电压、电流波形进行拟合；

c、确定等效电路模型输出电压、电流波形与输入测试的超声驱动摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流波形相似度大于95％。

优选的，所述步骤S3中所述电源管理电路包括开关网络模块、一阶整流模块、二阶整流模块、阻抗匹配模块和开关逻辑控制模块。

优选的，所述开关网络模块由控制开关与电感串联组成。

优选的，所述开关逻辑控制模块包括电感充电时间控制电路和电感放电时间控制电路。

因此，本发明采用上述一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，针对超声驱动摩擦纳米发电机提出一种适用于电路仿真软件的USD-TENG的电路等效模型并对其进行相应的电源管理电路设计，从而解决现有的摩擦纳米发电机等效电路模型不适用于电路仿真软件以及因其电压、电流相位差带来的能量损耗问题和带载能力弱等问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG无线能量传输整体设计步骤图；

图2为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG无线能量传输整体设计模块图；

图3为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG二维结构设计原理图；

图4为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG等效电路模型设计流程图；

图5为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的自适应RLC跟踪算法设计模块；

图6为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG电源管理电路设计模块；

图7为本发明一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法的USD-TENG与TENG对比实验流程图；

其中，1、储能电容；2、上电极层；3、上摩擦层；4、支撑层；5、气腔；6、下摩擦层；7、下电极层；8、超声探头。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1，一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，包括以下步骤：

步骤S1中，在超声驱动摩擦纳米发电机制作模块可以先通过有限元仿真软件进行仿真设计，如图3，摩擦纳米发电机从上至下的结构依次是上电极层2、上摩擦层3、由支撑层4形成的气腔5、下摩擦层6以及下电极层7，其原理为在外部超声驱动下，上电极层和上摩擦层发生振动，促使上、下两摩擦层进行反复的接触分离从而实现摩擦生电，上下运动接触的摩擦层分别选取易得到电子和易失去电子的材料制成，两层之间选取较有弹性的材料作为支撑层，留出摩擦层之间的接触空间，利用有限元仿真软件在给定外部超声条件下对不同材料、不同厚度、不同大小、不同接触层粗糙程度等变量的超声驱动摩擦纳米发电机进行仿真，对比其仿真开路电压、短路电流波形结果，确定具体选取参数。制作超声驱动摩擦纳米发电机实物，对实物进行测试，测试环境与超声探头参数设置参考仿真环境设置参数，将实验测试摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流值与仿真测试的开路电压、短路电流进行比对。

如图4-5，电路等效模型在输出时，首先将实验测试的超声驱动的摩擦纳米发电机的开路电压V(t)与短路电流I(t)波形输入然后进行扫描，将波形解析为相应的函数表达式

为开路电压V(t)、短路电流I(t)的相位；通过自适应RLC跟踪算法确定电流源Is参数取值，以及电阻R、电感L、电容C的参数取值和串、并联结构以及多阶组合结构，得到等效电路模型输出开路电压V′(t)、短路电流I′(t)的函数表达式

f_xi和f′_xi为各元器件与开路电压V′(t)和短路电流I′(t)之间一一对应的函数关系表达式，其中x取1或2或3或4，A_xi为各元器件参数取值，函数关系表达式和参数取值均由自适应RLC算法确定，将其等效输出波形结果与输入的电压、电流波形进行拟合；最终确定等效电路模型输出电压、电流波形与输入测试的超声驱动摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流波形相似度大于95％。

如图6，电源管理电路主要包含五个模块：开关网络模块，一阶整流模块，二阶整流模块，阻抗匹配模块，开关逻辑控制模块。开关网络模块由控制开关与电感串联组成，在等效电路模型输出电压反向的瞬间，闭合开关，电感L和超声驱动摩擦纳米发电机内部等效电容C形成L-C谐振，USD-TENG内部等效电容上的电压在经过L-C谐振后发生翻转，从而使USD-TENG能量俘获效率提高。一阶整流模块考虑半波、半桥、全桥以及倍压整流电路中的其中一种结构，根据其电路仿真软件的仿真结果确定其具体选取结构。二阶整流模块是利用有源二极管来限制输入电流的方向，当一阶整流模块输出电压Vout1大于储能电容电压Vout2时，二阶整流模块导通，一阶整流模块输出电压向储能电容充电，当Vout1小于Vout2时，二阶整流模块断开，阻止储能电容向一阶整流模块进行反向充电，从而实现整流效率的提高。阻抗匹配模块主要用于将通过二阶整流模块后输出的电压稳定在最优功率点目标电压附近，使其最终输出效率达到系统的最高点。开关逻辑控制模块包括电感充电时间控制电路以及电感放电时间控制电路，此模块用于控制开关网络模块中开关的工作方式，使得电感中的能量能够最大限度的储存以及转移。

如图2，在具体实施高效整流及阻抗匹配时，外部向生物体内发送的超声由商用的水浸探头或者自主研发的超声发射端电路系统提供,如超声探头8，在外部超声驱动下体内的摩擦纳米发电机上摩擦层开始振动与下摩擦层进行反复的接触分离摩擦生电，USD-TENG产生的电压传递给高效整流电路，整流为直流电压传输给阻抗匹配电路后通过刺激电路对生物体进行相应的刺激，阻抗匹配电路设计采用最优效率点追踪技术，先通过理论计算得出最优功率点的目标电压，然后使整流后输出的电压稳定在最优功率点目标电压附近，使其最终输出效率达到系统的最高输出。

实施例1

对比摩擦纳米发电机与超声驱动摩擦纳米发电机在同一时间下的储能效果，实验流程如图7所示。

1、器件制作模块，用同样材料制作大小相同的摩擦纳米发电机和超声驱动摩擦纳米发电机；

2、整流电路模块，设计全桥整流电路PCB版图，将制作好的版图分别与摩擦纳米发电机和超声驱动摩擦纳米发电机进行连接；

3、实验测试模块，摩擦纳米发电机在人为控制的机械运动下进行摩擦生电，超声驱动摩擦纳米发电机在外部商用超声水浸探头激励下摩擦生电，分别测量1s、5s、8s、20s、60s、120s后储能电容1存储电量的情况。

实施例2

将适用于电路仿真软件的摩擦纳米发电机等效电路模型的仿真开路电压、短路电流波形与实验测试的摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流波形进行对比。

1、制作四款不同材料、不同大小的摩擦纳米发电机，并测试其开路电压、短路电流波形；

2、输入其测试波形，通过自适应RLC跟踪算法设计适用于电路仿真软件的等效电路模型，仿真其开路电压和短路电流波形；

3、对比其实验测试的开路电压、短路电流与电路仿真的开路电压、短路电流波形，相似度大于95％。

实施例3

对比普通电源管理电路与本发明电源管理电路在不同负载下的传输效率。首先制作超声驱动摩擦纳米发电机，普通电源管理电路采用全桥整流，将普通电源管理电路与本发明的电源管理电路分别连接不同负载1KΩ、2KΩ、5KΩ、1pF、2pF、5pF，在不同负载条件下测量其能量传输效率进行记录和比对。

实施例4

本发明刺激电路部分使用心脏起搏器，将其植入患有病态窦房结综合征小鼠的体内，对小鼠的生命体征进行检测，观察并记录小鼠在5分钟、半小时、3小时、一天、一周、一月后的生命体征变化情况。

因此，本发明采用上述一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，以解决现有摩擦纳米发电机等效电路模型不适用于电路仿真软件以及因其电压、电流相位差带来的能量损耗问题和带载能力弱等问题。本发明设计结构合理，针对超声驱动摩擦纳米发电机提出一种适用于电路仿真软件的USD-TENG的电路等效模型并对其进行相应的电源管理电路设计，使得超声驱动无线能量传输更安全、更高效。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、根据超声驱动摩擦纳米发电机的测试波形通过自适应RLC跟踪算法设计适用于电路仿真软件的电路等效模型；

S3、针对超声驱动摩擦纳米发电机电路等效模型设计一个包含高效整流以及阻抗匹配的电源管理电路；

所述步骤S2中设计所述电路等效模型过程如下：

a、首先将实验测试的超声驱动摩擦纳米发电机的开路电压V(t)与短路电流I(t)波形输入然后进行扫描，将波形解析为相应的函数表达式

为开路电压V(t)、短路电流I(t)的相位；

c、确定等效电路模型输出电压、电流波形与输入测试的超声驱动摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流波形相似度大于95％；

所述步骤S3中所述电源管理电路包括开关网络模块、一阶整流模块、二阶整流模块、阻抗匹配模块和开关逻辑控制模块，所述开关网络模块由控制开关与电感串联组成，在等效电路模型输出电压反向的瞬间，闭合开关，电感L和超声驱动摩擦纳米发电机内部等效电容C形成L-C谐振，超声驱动摩擦纳米发电机内部等效电容上的电压在经过L-C谐振后发生翻转，使超声驱动摩擦纳米发电机能量俘获效率提高，二阶整流模块利用有源二极管来限制输入电流的方向，当储能电容电压小于一阶整流模块输出电压时导通，大于时断开，阻止储能电容向一阶整流模块进行反向充电，提高整流效率；阻抗匹配电路设计采用最优效率点追踪技术，先通过理论计算得出最优功率点的目标电压，然后使整流后输出的电压稳定在最优功率点目标电压附近，使其最终输出效率达到系统的最高输出；所述开关逻辑控制模块包括电感充电时间控制电路和电感放电时间控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法，其特征在于：所述步骤S1中的超声驱动摩擦纳米发电机从上至下的结构依次是上电极层、上摩擦层、由支撑层形成的气腔、下摩擦层以及下电极层。