超声波无线能量传输技术应用与研究进展

2021-11-23芮小博李宏阳张思睿

承德石油高等专科学校学报 2021年5期

刘畅，芮小博，康金，杨飞，李宏阳，张思睿

(1．承德石油高等专科学校电气与电子系，河北承德 067000；2．天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室，天津 300072)

无线能量传输(Wireless Power Transmission)技术，又称非接触式能量传输(Contactless Energy Transfer)技术，是一种摆脱了有形的导体连接，利用空气、液体等介质作为媒介传输能量的一种技术。1890年，美国科学家尼古拉·特斯拉就提出了用无线电波传输能量的想法，特斯拉利用磁感应成功点亮了一只灯泡[1-2]，首次证明了无线能量传输的可行性。特斯拉还对未来做出设想，希望设计出巨大的铁塔辐射能量，以供给人类消耗[3]。在随后的五十年，日本与美国的科学家对该技术做了一些初步的研究，但进展缓慢[4-5]。直到20世纪80年代，无线能量传输技术才开始新的发展[6]。近十年，由于低功率电子设备的不断出现，无线能量传输技术获得了越来越多的关注[7]。无线能量传输技术可以在部分场合代替传统的电池供电或电线供电方法，使设备密封性更强，提高系统的稳定性与安全性。另一方面，因为设备的“无线”化，使得设备的使用与移动更加灵活，还适用于某些不方便直接供电的场合，比如动物体内、野外环境、密闭容器等，大大改善了传统设备的应用条件[8-9]。无线能量传输技术是当前工程科学中的热点研究方向之一，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域。从广义上来说，主流技术有电磁感应式、电磁谐振式、远场辐射式及声音振动式等[10]。

本文侧重于一种利用声音振动进行无线能量传输的方法，因其利用的频段一般在超声波段，故本文将其称为超声无线能量传输方法。该传输方法无需电磁场环境，适用介质广泛，具有极高的安全性，最近得到了越来越广泛的关注。本文将详细论述基于超声波的无线能量传输方法，从传输机理、应用介质及场合介绍国内外研究现状和关键技术问题，并对该技术目前研究的热点及发展趋势进行阐述。

1 超声无线能量传输技术概要

将振动能与电能联系到一起的是压电效应，由法国的居里兄弟于1880年发现[11]，该效应是指某些电介质受到外力时，会在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。随后在1881年他们又发现了逆压电效应[12]，正、逆压电效应是声学发展史上的重大发现，大大加速了声学在现代科学技术中的发展。

1.1 超声无线能量传输技术原理

超声无线能量传输技术是一种较为新颖的方法，约有30年的发展历史，其最基础的一种应用方法如图1所示。整个系统由三个部分组成，发射单元、接收单元与传输介质。工作时驱动器以交流电压驱动发射换能器[13]，在介质中激发振动，当振动传播至接收单元后，接收换能器将振动转换为两电极的电势差，经整流稳压获得稳定的电压以供给负载使用或给储能元件充电。超声无线能量传输的介质可以是金属、空气、液体，甚至是生物组织[14]。

1.2 与环境能量收集的关系

随着微机电技术的发展，目前电子元件的功耗越来越低，出现了收集环境能量为其供电的解决方案，其中用声音及振动进行能量收集是研究热点之一。

对于工程中的固体材料，可以用磁电式、静电式或压电式换能器将介质中的振动能量转换为电能，其中压电式最受重视，类似于超声无线能量传输的接收单元。对于空气环境，可以用亥姆赫兹共振腔进行能量收集[15]。对于人体环境，目前有使用压电效应收集心脏跳动能量和肌肉收缩能量的研究报道[16-17]。

现有的振动能量收集技术已经可以看出其应用潜力，且可减少环境中的振动与噪音，但从能量的角度来看，还难以完全满足实际需要。该技术受限于环境条件，一方面振动能量来源不稳定，另一方面结构振动的来源较复杂，其振动特征频带较宽且不确定，直接限制了俘能器的最大接收效率。

上述提到的振动环境能量收集方法，都可使用超声能量无线传输技术进行能量补充。

1.3 超声无线能量传输技术优势

在无线能量传输的大家庭中，超声无线能量传输技术是研究历史较短、成果较少的一个分支，但已经体现出了一些独特的优点。

超声无线能量传输技术利用声音振动作为能量传输的载体，最大的特点在于安全性，因为超声方法避免了电磁场的运用，对于有隔磁要求的场合及人体使用有很明显的优势。超声方法可以在金属介质中使用，避免了电磁方法中金属材料的电磁场限制及涡流效应，因此该方法尤其适合于在金属材质的密闭容器内部进行供电。由于超声波波长远小于电磁波，其换能器尺寸更小，同时压电陶瓷等换能器件的生产技术成熟、成本低、便于布置，故超声无线能量传输系统也普遍比其他方法的要小巧灵活。

与环境能量收集方法相比，无线能量传输可以激发窄带信号并设定在换能器的谐振频率下工作，大大提高了能量获取的效率。该方法不必使用结构复杂的宽频带俘能器，并且能量传输可定量控制，系统稳定性更强。

2 超声无线能量传输技术研究现状与应用

2.1 医学中的超声无线能量传输

医学是超声无线能量传输方法应用比较广泛与成熟的领域，传输介质以液体、凝胶与生物组织为主，大部分应用场景是为体内的植入式器件供电，可解决器件充电困难、重复手术进行电池更换的难题[18-19]。

首次提出超声无线能量传输方法是在1985年，Cochran等人尝试在骨骼上放置PZT-5材料的压电片，利用电刺激促进骨骼修复，传输系统如图2所示[20]。在压电陶瓷片的谐振频率2.25 MHz下，通过外部激发超声波，可以达到600 mV、100 μA的输出。上述研究开启了超声无线能量传输的篇章，实验利用衰减系数更大的PVC凝胶模拟生物组织，进一步体现了该方法的发展潜力。

在超声波传播过程中，不同位置的能量分布不同，当有反射波时还可能形成驻波，其在波峰处振动最强，有科研人员专门对该问题进行了实验。Arra利用PZT晶片在液体环境中进行实验[21]，他着重考量了反射形成的驻波对于接受效率的影响，在5 mm～105 mm的距离上可以做到21%～35%的传播效率，随着距离的变化，传播效率呈周期性变化。该研究为植入式器件超声波无线供电技术在实际应用中的频率选择与摆放位置提供了参考依据。

对于体内植入设备的供电，最重要的是安全性及生物相容性，目前已经有了几种针对体内结构设计的器件样机。2011年，Maleki设计了一种基于超声波供电的体内微型氧气发生器[22],如图3所示，该系统激发幅值50 Vpp、频率2.3 MHz，在体内40 cm的距离上可得到6 V、20 μA的输出，值得一提的是，他生产的器件尺寸只有1.2×1.3×8 mm3。2017年，Guida团队在人体上肢模型上安装了两个相同的换能器[23]，以700 kHz的工作频率实现超级电容器供电。该装置能够在3.5分钟内给0.22 F超级电容器提供足够的功率。

此外，一些科研人员针对新型压电材料及换能器开展应用研究。Leadbetter 应用PMN-PT以压电复合形式制作换能器为助听器供电[24]，PMN-PT材料的压电耦合系数比普通压电陶瓷高60%，同时由于带宽更大，能够得到更高的能量输出，该团队最终得到了45%的能量传输效率。2019年，南京邮电大学周波等人[25]用比锆钛酸铅PZT压电系数和机电耦合系数更高的弛豫铁电单晶制作植入式医疗设备供电系统，其介电损耗因子仅为普通PZT陶瓷的三分之一。

2.2 金属材料中的超声无线能量传输

除了在医学上的发展，超声波无线能量传输技术在金属材料中也有广泛的应用，发展历史20余年。由于金属和压电陶瓷材料的声阻抗量级接近，因此对于超声方法来说，金属介质比空气和生物组织更容易使其获得较高的传输效率。目前，该传输方式主要应用于压力容器、真空室、管道、飞机机翼以及核废料容器，在这些环境中，金属材料无法打孔且布线困难，非常适合于使用超声波进行能量传输。下面针对穿墙体波与平板导波两种形式进行介绍。

穿墙体波式是一种发射换能器与接收换能器位置相对，声波以体波形式进行传播的方法。该方法的系统搭建较为简单，但在声波传输过程中能量衰减速度较快，主要应用于密闭容器中。最早提出穿墙体波式超声能量传输方法的是美国学者Connor[26]，其后此项技术发展迅速。2008年，德国慕尼黑欧洲宇航防务集团创新中心Kluge和德国萨尔大学Ngo联合设计了适用于压力容器的电力和数据传输系统[27]，作者在文章中阐述了自主设计的发送和接收电路实现方法，其使用的压电换能器直径约为8 mm，可透射7 mm厚铝壁。该系统的传输功率为30 mW、效率为80%，并且在3MHz载波频率下的数据传输速率为1 kbps。英国纽卡斯尔大学的Neasham和Graham在2009—2011年设计了一种穿墙体波式装置[28]，旨在通过船舶的钢质板壁传输能量和数据，该装置使用电磁换能器(线圈)在80 mm厚的壁中产生和接收超声波，但其传输效率相对较低(6%)，数据传输速度为2 kbps。2021年，杨志远团队设计了一种可穿透金属钛的超声波无线供电系统[29]，其平均充电功率可达330 mW，性能稳定。

平板导波，究其本质是一种在厚度与激励声波波长数量级相同的声波导(如金属薄板)中传播，由纵波和横波合成的特殊形式应力波，通常也称“板波”。由于板波在传播过程中能量的损失要比体波小很多，因此具有作为能量传播载体的潜力。然而，利用平板导波进行无线能量传输的工作鲜有报道，仅英国Cardiff大学有所涉及[30]。该团队研究了民航机翼结构健康监测传感系统供电的方法，但发现只有在飞机起飞与降落时才能获取足够的振动能量。为了解决该问题，Aleksander Kural博士设计了一种基于平面导波的无线能量传输系统[31]。Kural对几种不同的商用压电器件做了性能测试与对比，利用电感补偿方法提高发射换能器与接收换能器效率。通过LISA软件对板波的传播进行了仿真并利用一维多普勒激光测振仪观察了Lamb波的传播情况。该系统针对简单铝合金平板，可以在54 cm的距离下，以20V的驱动电压、224 kHz的驱动频率，获得17 mW的连续功率。但Cardiff大学的工作仅针对于简单平板，无法应用于加筋的复杂舱壁环境中。如何设计出适用于在轨航天器使用的能量传输装置，并达到更高的传输效率、更远的传输距离是后续研究的难点。

2.3 空气中的超声无线能量传输

空气介质中的无线能量传输技术受到人们的广泛关注，该应用最贴近民众生活。然而，换能器阻抗与空气声阻抗严重不匹配，需多次气固耦合才可进行超声传输，导致能量衰减严重，故空气中的超声无线能量传输技术未能取得突破性进展。

Ishiyama在2003年第一次实质性提出了空气中超声无线能量传输的方法[32]，他使用喇叭形塑料收声器提高换能器获取的能量密度，在30 cm的距离得到了0.8 mW的功率。

2011年，Rose利用该方法建立了超声无线能量供电系统[33]，他考虑了能量的传输衰减与换能器的尺寸，对整个系统进行了建模，通过仿真计算可以达到最高53%的传播效率。不过，受限于换能器材料的性能，Rose在实验中只得到了37 mW的功率和16%的传播效率。但作者也指出，该测试并非在最优条件下进行，仅有指示性作用。

Zaid在2014年[34]和2016年[35]继续对空气介质进行研究，使用了推挽式功率变换器，并在40 kHz频率下得到1.0 mW传输功率，39.68 kHz频率下得到4.2 mW传输功率，在一定程度上推动了空气介质中无线能量传输技术的发展。