超声耦合无线电能传输技术研究综述

张林森, 宁小玲*, 胡 平

超声耦合无线电能传输技术研究综述

张林森1, 宁小玲1*, 胡 平2

(1. 海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军工程大学 舰船与海洋工程学院, 湖北 武汉, 430033)

超声耦合无线电能传输(UCCET)是一种新型的无线电能传输技术。文中从UCCET技术的应用场景和优势入手, 分析了UCCET基本原理, 总结了其技术特点。随后着重从低功率和高功率应用两方面分别梳理了国内外UCCET技术在植入式医疗电子设备供电、隔金属介质设备供电、隔空气介质设备供电和隔水介质设备供电等方面的研究现状, 最后阐述了UCCET在声阻抗匹配、传输机理研究和换能器设计理论等方面面临的技术挑战。

无线电能传输; 超声; 耦合

0 引言

传统的电力传输都是通过有线方式进行, 这种方式在潮湿、含易燃易爆气体、水下等很多场合存在诸多局限性[1], 而在诸如植入式医疗设备供电、外太空设备供电等场合则直接无法使用[2]。因此, 实现电能无线传输一直是人类追求的目标[3-4]。无线电能传输(contactless energy transfer, CET)技术是一类无需物理连接就可以实现电能向负载传输的技术, 其基本原理是将电能通过电场、电磁场或声场等作为载体来实现能量的空间传递。总体来看, 无线电能传输技术分为电磁式和非电磁式两类, 其具体分类见图1。

从图1可以看出, 电磁式CET技术按照其原理又可以分为电磁辐射、电场耦合和磁场耦合3种方式。从现有公开文献来看, 磁场耦合方式是目前所有CET技术中研究最多的, 并且已在电动汽车、移动通信、机器人和家用电器等领域得以应用[4]。但是, 这种基于磁场耦合方式的CET技术传输距离有限, 且传输效率会随着传输距离的增加而急剧下降[5-6]; 此外, 在金属、海水等导电介质中, 电磁场的传播会严重衰减, 因此无法利用该方式高效地传输电能。相比之下, 超声波作为一种机械波则可以很好地在各种介质中传播, 特别是在导电介质中, 超声波穿透力强、方向性好、衰减较小[7], 因此, 在水下机电设备无线供电、金属密闭容器内设备供电和植入式医疗装置供电等领域, 超声波耦合无线电能传输(ultraso- nic coupled contactless energy transfer, UCCET)技术具有更明显的优势和良好的应用前景。

图1 无线电能传输技术分类

1 UCCET技术原理及特点

1.1 工作原理

UCCET技术原理框图如图2所示。UCCET装置主要由发射端和接收端组成。其中, 发射端包括高频电源、发射端阻抗匹配电路和发射换能器; 接收端包括接收换能器、接收端阻抗匹配电路和整流滤波电路等。发射换能器将高频电源输出的电能转换为超声波并通过介质传播, 将能量辐射到接收换能器, 接收换能器则将超声波转换为电能, 经整流滤波后供给负载使用。发射端和接收端的阻抗匹配电路起到阻抗变换和调谐作用, 使整个装置工作在高效区间。

从上述工作原理可知, 超声换能器是UCCET装置的核心器件, 其主要功能是进行电能和声能的转换。超声换能器种类很多, 根据其工作原理可以分为机械型换能器、电容型换能器、磁致伸缩换能器和压电换能器等。其中使用较多的是磁致伸缩换能器与压电换能器2种类型, 表1给出了这2类换能器的主要性能比较。

图2 超声耦合无线电能传输原理框图

表1 2种换能器性能比较

磁致伸缩换能器的优点是机械强度较高、工作稳定、辐射功率密度大, 缺点是体积大且绕线复杂; 压电换能器的优点是结构简单、性能稳定、机电转换效率高、易于成型等, 是目前理论研究和实际应用最多的一种换能器。其中夹心式压电换能器工作频率较低, 且制作简便, 通过改变两端金属块的厚度或形状就可以方便地改变换能器的工作频率和声强, 因此在功率超声技术中得到广泛运用。

1.2 UCCET等效电路模型

图3 UCCET等效电路模型

系统工作时, 发射换能器工作于逆压电效应状态, 将从激励电源获取的电能转换为超声波形式的机械能, 为获得较大的辐射声功率, 应确保发射换能器工作于谐振状态; 接收换能器工作于压电状态, 将机械能转换为电能为负载供电或充电, 且应使发射换能器与接收换能器谐振频率保持一致或相近, 以保证UCCET有较强的电能传输能力。

根据图3, 可分析得到接收换能器的输出电压为

1.3 技术特点

与电磁式CET技术相比, UCCET技术的一个突出优点是在相同的指向性要求下, 后者使用的收发换能器尺寸比前者要小得多[7], 这是因为在相同介质(例如海水)中, 声波的传播速度相对于电磁波要低得多, 所以相同频率下声波的波长比电磁波小得多。换而言之, 如果给定收发换能器的尺寸和指向性要求, UCCET装置的工作频率将会远低于电磁式CET, 因此相关电路设计和器件选择会更简单。

UCCET的另一个优势是其应用领域更广。由于这种方式是使用机械波作为能量传输的媒介, 所以可有效应用于如前所述的一些电磁耦合CET技术无能为力的场合。除此之外, 在导电介质中, UCCET技术能够实现在较远距离上仍具备较好的能量传输能力。

UCCET的第3个优势是不会产生电磁噪声和电磁污染, 因此在电能传输的过程中不会对其他系统的正常工作产生电磁干扰。这一特点对于某些场合是至关重要的, 例如心脏起搏器等植入式医疗电子设备的供电、军用设施供电需要保持电磁静默避免暴露等。

2 研究现状

由于超声波可以在各种介质中传播, 因此UCCET技术对工作环境的适应性强并能够在较远的距离进行能量传输。但是, 作为一种新兴技术, UCCET的发展较晚, 与电磁式CET技术相比, 其研究成果还不是很丰富。从目前公开的文献来看, UCCET技术的研究成果主要集中于植入式医疗电子设备供电、隔金属介质设备供电、隔空气介质设备供电和隔水介质设备供电4个方面。但是不管是针对何种介质的研究, 都可以按UCC ET的功率水平分为低功率UCCET和中高功率UCCET 2个应用层面。文中从这2个层面入手, 针对其涉及的器件、传播介质和驱动控制电路等, 分别梳理UCCET的研究现状。

2.1 低功率UCCET研究现状

低功率UCCET的应用场景非常多, 包括为植入式医疗电子设备充电、透过人体组织传输数据以及一些隔空气介质设备供电等等。早在1985年, 文献[8]就报道了用UCCET为植入式医疗电子设备充电的研究, 研究者使用UCCET来刺激骨的生成, 建立了一个包含内部固定装置和压电换能器的系统, 该系统能够在外部超声波激励压电换能器时产生电流。此外, 文献[9]中证明了利用超声换能器能够产生20 μA的电流, 并可以1.5 mW/cm2的功率密度进行能量传输。

由于植入式医疗电子设备在医学中得到了广泛应用, 因此许多研究人员相继提出了一系列基于超声耦合的无线充电方案来解决人体组织中的电池充电问题[10-15]。

在低功率场合中使用的声换能器包括多种振动模式, 其中最基本的一种振动模式是薄片厚度伸缩振动模式: 文献[11]利用了这种振动模式制作了换能器, 其发射换能器厚度为1.02 mm, 接收换能器则植入人体组织中; 文献[14]采用26 mm厚度的发射换能器和植入组织的接收换能器实现了23 mW的能量传递; 文献[16]使用富士陶瓷生产的2个C-2型压电陶瓷换能器, 实现了35 mW的能量传递。薄圆片径向振动模式是在UCCET系统中使用较多的另一种振动模式: 文献[16]和[17]使用这种振动模式制作换能器, 其发射换能器和接收换能器都采用10 mm直径的传感器, 而且收发2个换能器都植入在人体组织中, 同时对这上述2种不同类型振动模式的优缺点进行了对比。

文献[18]提出了一种用于低功率生物医学应用的UCCET, 设计制作了直径为50 mm、谐振频率为250 kHz的实验装置, 由于在水介质中比较容易在固定距离上调节频率, 因此该装置在30 mm传输距离上实现了55%的功率传输效率; 在人体组织中, 在255 kHz驱动频率下, 该装置接收传感器位于23 mm皮肤深度时可获得21%的功率传输效率; 该文献还指出, 介质类型会影响波的传播性能, 从而导致2种介质之间的能量传递效率也不相同。

文献[19]针对心脏起搏器锂电池充电问题, 建立了超声波向心脏起搏器无线充电的理论模型, 采用聚焦超声换能器体外发射低强度脉冲超声, 利用体内置入的1-3型压电复合材料俘能器作为接收换能器, 经整流滤波电路及充电保护电路处理后为心脏起搏器进行充电。实验结果表明, 该装置在2.18～5.10 cm的传输距离内, 能够实现能量的高效接收, 并成功将作为模拟负载的LED灯点亮。

植入深度是UCCET系统的关键参数之一[20-21], 为了研究植入深度对传输效率的影响, 且考虑到生物软组织与水的声学特性相近, 文献[20]设计了一套水下UCCET系统, 通过调整发射器和接收器之间的距离来模拟不同植入深度, 运用统计学方法对采集到的接收器输出电压数据进行分析, 建立了线性回归模型。实验结果表明, 超声波能量传输效率与发射器和接收器之间的距离有关, 接收器输出电压随距离的增大而减小, 所建模型的预测误差小于10%。

引起研究人员关注的另一个研究方向是UCCET系统应用于生物医学设备中的生物相容性。文献[21]利用生物相容材料, 开发了完全封装的UCCET接收器, 用于为生物植入式医疗设备充电, 得益于使用的材料具有生物相容性并足够柔软, 同时对接收器的形状进行了优化分析, 该装置使用球形包装, 在五花肉模拟的人体皮肤组织系统中取得了较理想的声波能量吸收效果。文献[14]、文献[20]、文献[23]和文献[24]中也提到了类似研究工作。同时, 文献[25]认为, UCCET系统的研究除了应继续提高传输效率外, 装置的生物安全性也必须引起足够的重视, 特别是为了避免生物组织内温度升高和形成气穴等不良生物效应, 必须采用具有生物相容性的UCCET装置。

利用UCCET对水下机电设备及传感设备进行无线充电具有非常广阔的应用潜力, 文献[26]进行了水下UCCET技术的研究, 在分析等效电路模型的基础上, 研究了超声换能器的电学阻抗变换方法和长线传输时的阻抗匹配问题, 对比分析了在海水中感应耦合与超声耦合2种CET技术在能量转换效率上的性能差异, 并设计了距离５ cm、效率31%、输出功率50 Ｗ的CET实验系统。

除了利用声波进行能量传输外, 部分文献还研究了利用声波同时进行能量和信息传送的可行性。一些公开文献的研究证明, 在低功率应用场合, 超声波可以传输数据, 即在传递能量的同时充当通信通道。文献[24]和[27]在体外实验中设计了一个通信平台, 成功实现了20%的能量传输效率和9.5 kb/s的比特率。文献[24]提出的系统原理框图如图4所示, 其中控制单元(CU)和接收换能器(TR)分别由等效阻抗CU和TR表示。声波以工作频率0从CU发送至距离为的TR。输入电压IN施加到CU上, 在TR的方向上产生机械振动, 输出信号对应于植入器件的可用电压AV。AV通过并联电感器L升压后进行整流, 整流电压为REC, 在微功率模块内以合适的恒定值给电池充电, 一旦能量存储元件完全充满电即可为负载供电。这部分完成能量无线传输功能, 如图4中模块A所示。模块B为无线通信系统模块, 该模块设计了一种简单的调制器机制, 通过微处理器将1个编码信号从TR传输到CU, CU包含了存储在随机存取存储器(RAM)中的传感器信息。模块B框图结构如图5所示。

文献[28]设计了一个类似的可同时传递能量和信息的CET系统, 功率为80 mW, 以脱气水作为实验传输介质, 收发换能器间隔在5～105 mm 变化范围内, 系统传输效率为21%～35%。

图4 能量信息同步传输的无线能量传输系统原理框图

图5 通信模块框图

除此之外, 在低功率应用中, 组合使用不同方法进行能量无线传输也被证明是可以实现的。文献[16]设计了2个子系统, 其中一个子系统使用感应式电能传输 (inductive power transfer, IPT) 装置为浅层组织中的设备传递能量, 使用UCCET为位于更深组织层的设备供电。根据其结论, 这种方式下, IPT实现了在10 mm的气隙中感应传输5 W的功率, 传输效率为83%; 并通过UCCET实现了在均质液体环境中给70 mm距离的内部设备传输29 W的功率, 传输效率为1%。该装置中还配有一个可充电电容, 该电容能够提供约18 ms的供电, 能够让装置以500 kHz的频率传输约半个字节的数字化测量数据。

2.2 中高功率UCCET研究现状

相对于低功率无线电能传输特别是生物医学植入物充电方面的研究成果, 基于超声耦合的大功率无线电能传输更具挑战性。通过空气或人体组织传输的功率通常较低, 而通过金属介质可相对容易地获得高输出功率传输, 这是因为压电材料的声阻抗与金属介质中的声阻抗匹配性更好。

文献[29]设计了通过金属壁的大功率UCCET系统, 该系统在直径为38 mm的金属器件上实现了100 W的传输能力, 传输效率达到88%。文献[30]则实现了通过UCCET系统在厚度为5 mm的钛金属壁上1 kW的功率传输, 但由于发热量较大, 该系统的持续传输时间非常有限。

在大功率应用中, 功率转换器和换能器大功率转换能力是研究人员比较关注的一个方面。换能器为了拥有足够的转换功率, 需要通过高电压激发以便产生高振幅声波。夹心式压电陶瓷换能器(也称为朗之万换能器)是一种能够较好满足这种高输出功率需求的换能器。与此同时, 作为激励电压源的功率转换器, 应能在换能器工作频率附近提供更高的输出功率, 文献[29]和[30]中使用功率信号发生器或线性放大器作为换能器的功率变换器。文献[30]利用有限元软件, 分析了纵振式超声波无线电能传输装置模型的纵振模态及其共振频率。加工的实验样机能量发射端采用锥形结构以增强对于空气激振的输出效果。实验结果表明, 在最佳传输频率29.88 kHz下的能量传递效率可达24%。

在大功率UCCET系统中, 同时传输数据和传输能量同样也是可能的。许多文献探讨了通过金属墙进行通信的可能性[31-34]。文献[31]证明了这种应用场景下可以实现高达1 Mb/s的数据通信。文献[33]和[34]设计了一个同时传输能量和数据的实验系统, 实验结果表明, 能量和数据能够通过相隔2.54 cm的2个声学基站进行传输。传输功率为50 W, 平均效率达51%; 数据通信速率为12.4 Mb/s。

3 UCCET面临的挑战

3.1 声阻抗匹配问题

在UCCET系统中, 由于声阻抗不匹配导致声波反射以及由此产生的空间共振是其面临的主要挑战。目前, UCCET应用最多的是压电式超声换能器, 压电材料的声阻抗率大约为3～35 MRayl, 因此必须设法降低换能器的声阻抗, 减弱2种介质间的声阻抗失配, 以提高换能器的发射效率。

超声换能器中应用最多的声匹配技术是匹配层法, 即在压电材料和声传输介质之间加入一层用以实现声阻抗过渡的材料。用于匹配层材料阻抗率选择的有传统模型、梅森模型、克里姆霍尔兹模型及串并联阻抗相等理论等多种计算理论, 适用于不同的应用场合。目前几乎所有的理论分析和工程实践中, 匹配层厚度均选择1/4波长匹配层, 即匹配层厚度为/4。

在生物医学和某些隔金属介质的UCCET系统中, 通常通过增加1层或多层声阻抗匹配层来使绝大部分声波顺利进入介质。在这些应用中, 压电陶瓷与钢的比阻抗比值约为0.7, 压电陶瓷与生物组织的比阻抗比值约为20, 压电材料和介质之间的阻抗失配程度相对较小。而在空气介质中, 由于压电陶瓷材料与空气的阻抗失配程度非常大(PZT/air≈7×104), 要实现阻抗匹配层就很困难, 因为目前几乎没有材料能同时满足低声阻抗和低损耗。空气阻抗匹配更多的是利用振膜等手段实现, 该方法有效地增加了传感器的表面积。

3.2 UCCET机理研究

目前在UCCET机理方面的研究也还不够充分, 用于分析系统性能的模型在某种意义上是不完整的。UCCET的核心是超声换能器, 由于超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统, 决定了其研究方法需融合电子学、力学、声学等诸多学科。以夹心式压电换能器为例, 在分析其工作机理时最常见的方法就是通过电力声类比, 将换能器转换为等效电路(如梅森等效电路和克里姆霍尔兹等效电路等)来进行进一步分析建模。虽然现有文献使用了各种不同的方法来进行建模分析, 但到目前为止, 没有一个模型能够完整展现UCCET技术的全部。从目前的文献来看, 有限元分析在全面分析UCCET性能方面是一个非常有用的工具。此外, 也可将不同的模型结合起来, 从而更完整地描述和分析UCCET。

3.3 超声换能器设计理论

超声换能器的设计对于UCCET性能的影响至关重要。进行超声换能器设计时, 需要着重考虑换能器功率水平、转换效率和阻抗失配导致的声波反射3个方面因素的影响。就目前的应用来看, 多数文献都选择夹心式压电换能器作为UCCET的电声转换装置。夹心式压电换能器的基本振动类型有纵向振动、扭转振动和弯曲振动3种, 其中纵向振动夹心式换能器在UCCET中应用最为广泛。

纵向振动夹心式换能器的结构设计通常采用一维设计理论, 即当换能器直径远小于介质中声波的基频波长时, 其振动模态可近似为一维复合细棒的纵向振动。根据一维理论可求解某共振频率下换能器的频率方程, 这个频率方程描述了其材料、形状、尺寸与频率的关系, 因此根据频率方程可对换能器的尺寸、谐振频率等进行设计。换能器的设计方法通常有2种: 一种是给定谐振频率, 利用频率方程确定换能器尺寸; 另一种是给定尺寸, 由频率方程计算换能器的谐振频率。

夹心式压电换能器一般为半波长振子, 振动时两端振动位移最大, 而内部存在振动位移等于零的节面。以节面为分界面, 可将换能器进一步简化为作用2个1/4波长的振子。分别用、、、和表示各部分元件的波数、长度、纵波声速、密度和截面积, 得到换能器节面左右两侧的频率方程分别为式(2)和式(3)[35]。

节面右侧频率方程

节面左侧频率方程

一般来说, 当径向尺寸小于介质中传播的波的1/4波长时, 使用一维理论设计的换能器其共振频率理论与测量间的误差可以忽略。然而, 随着超声换能器功率增大, 换能器的径向尺寸较大, 通常大于纵波波长的1/4, 甚至可能接近介质中声波基波波长, 此时等效电路法误差较大已不再适用, 必须探索其他更适合的设计方法。从现有的研究趋势来看, 一种方向是在建立换能器模型的基础上结合多目标优化进化算法优化设计, 再结合有限元分析进一步优化; 另一种方向则是探索新的大尺寸夹心式换能器设计方法。

4 结束语

UCCET利用超声波作为耦合媒介来实现电能的无线传递, 是一种被证明在特定领域具有广泛应用潜力的CET技术。尽管如此, 围绕它的研究仍然处于初级阶段。文中分析了UCCET技术的基本原理和技术特点, 按照无线电能传输系统的功率水平, 分别梳理了国内外UCCET的研究现状, 通过分析可以发现, 现有研究大部分都是围绕低功率应用展开, 在大功率应用场合研究还不够深入。从UCCET的应用领域来看, 多数研究都是围绕生物医疗电子领域和隔金属介质, 在空气介质和水下的应用研究还非常少。最后阐述了UCCET技术面临的技术挑战, 随着这些研究的深入, UCCET技术一定会成为CET研究领域的新亮点。

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A Review of Ultrasonic Coupled Contactless Energy Transfer Technology

ZHANG Lin-sen1, NING Xiao-ling1*, HU Ping2

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Ultrasonic coupled contactless energy transfer (UCCET) is a relatively new type of contactless energy transfer technology. Based on the analysis of the application and advantages of UCCET, the fundamental principle of UCCET was analyzed, and the technical characteristics of UCCET are summarized in this paper. Then, the research status of UCCET in the fields of bio-implantable medical device power supply, device power supply through the metal medium, device power supply through air, and device power supply through the water medium using UCCET was reviewed for low-power and high-power applications. Finally, the technical challenges of UCCET in acoustic impedance matching, transmission mechanism research, and transducer design theory are presented in this paper.

contactless energy transfer; ultrasonic; coupled

TJ630.32; TM724

R

2096-3920(2021)03-0257-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.002

张林森, 宁小玲, 胡平. 超声耦合无线电能传输技术研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 257-264.

2020-11-20;

2021-02-03.

湖北省自然科学基金(2018CFC866).

张林森(1982-), 博士, 讲师, 主要研究方向为水下航行器能源与推进技术.

简介:宁小玲(1982-), 博士, 讲师, 主要研究方向为水下无线通信技术.

(责任编辑: 陈 曦)