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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种可植入超声纳米发电机无线能量传输系统设计方法


[0001]本专利技术涉及摩擦纳米发电机无线能量传输
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术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：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]优选的，所述步骤S2中设计所述电路等效模型过程如下：
[0011]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
[0012][0013][0014]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；
[0015]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
[0016][0017][0018]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；
[0019]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％。
[0020]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。
[0021]优选的，所述开关网络模块由控制开关与电感串联组成。
[0022]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。
[0023]因此，本专利技术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。
[0024]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0025]图1为本专利技术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；
[0026]图2为本专利技术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；
[0027]图3为本专利技术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；
[0028]图4为本专利技术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；
[0029]图5为本专利技术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；
[0030]图6为本专利技术一种可植入超声纳米发电机无线能量传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：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。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。3.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕冉，王文思，吉彦平，魏韵璋，刘文涛，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：