人體植入式設(shè)備諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)?

宮飛翔， 魏志強(qiáng)， 殷　波， 湯臣飛， 遲浩坤

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

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人體植入式設(shè)備諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)?

宮飛翔， 魏志強(qiáng)， 殷波， 湯臣飛， 遲浩坤

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

小型化、高效化是人體植入式設(shè)備諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，本文基于串-串諧振耦合電路模型，從電路角度分析系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率與線(xiàn)圈尺寸、負(fù)載、距離等之間的函數(shù)關(guān)系，并研究了特定傳輸距離下，線(xiàn)圈尺寸和匝數(shù)與傳輸效率和傳輸功率的關(guān)系，并進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化。結(jié)果表明在特定的傳輸距離限制下，當(dāng)線(xiàn)圈尺寸和匝數(shù)增加到特定值時(shí)傳輸效率基本不再增加，而傳輸功率會(huì)表現(xiàn)出先增加后減小的特性，線(xiàn)圈的尺寸和匝數(shù)存在著最優(yōu)的組合，可以達(dá)到傳輸效率和傳輸功率雙優(yōu)的要求，該文的結(jié)果可以為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域人體植入式設(shè)備無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

植入式設(shè)備；諧振耦合；最大效率；最大功率；組合優(yōu)化；諧振頻率

引用格式：宮飛翔， 魏志強(qiáng)， 殷波， 等. 人體植入式設(shè)備諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(10)： 129-134.

GONG Fei-Xiang, WEI Zhi-Qiang, YIN Bo, et al. Optimization design of coil for WPT system based on resonance coupling of human implantable devices[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(10)： 129-134.

高效、可靠的能源供給已成為人體植入式電子設(shè)備的關(guān)鍵共性瓶頸問(wèn)題，人體無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、電能持久、體積微小、無(wú)二次手術(shù)、無(wú)使用感染風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，成為解決植入式設(shè)備瓶頸問(wèn)題的最為重要的創(chuàng)新技術(shù)，也成為解決人體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network-BSN)能源問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)選擇。電磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)是利用2個(gè)具有相同諧振頻率的、高品質(zhì)因數(shù)的線(xiàn)圈處于諧振狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電磁振蕩，從而通過(guò)非輻射場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。之前醫(yī)學(xué)植入式設(shè)備領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)傳能多是采用超聲波、電磁感應(yīng)技術(shù)，無(wú)法解決傳輸距離和傳輸功率的雙優(yōu)的需求，諧振耦合電能傳輸技術(shù)是一種應(yīng)用范圍更寬的新型技術(shù)，并且低電磁輻射，傳輸距離遠(yuǎn)，可滿(mǎn)足電磁兼容的要求，將大大拓寬無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。電磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)最早是由 MIT 的 Marin Soljacic 教授于 2006 年11 月在美國(guó) AIP 工業(yè)物理學(xué)論壇上明確提出的[1]，他們從理論上論證了該技術(shù)用于傳遞能量的可行性，并于 2007 年進(jìn)行了基本了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]，該技術(shù)被命名為“Witricity”。MIT 的學(xué)者們認(rèn)為具有相同諧振頻率的物體構(gòu)成的耦合共振系統(tǒng)(如聲音、電磁場(chǎng)等)可以高效率的實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，而對(duì)周?chē)峭l諧振的物體影響甚小。該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)瓶頸問(wèn)題就是功率、效率與距離和天線(xiàn)形狀之間的權(quán)衡，各種參數(shù)之間相互影響相互制約，在保證傳輸功率和傳輸效率前提下的無(wú)線(xiàn)電能傳輸天線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的研究方向。天津工業(yè)大學(xué)李陽(yáng)[3]等利用空間兩線(xiàn)圈的互感耦合模型，從電路角度分析了無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性，得到了接收線(xiàn)圈歸一化電壓的表達(dá)式，并基于此提出了有效傳輸距離的概念。然后通過(guò)對(duì)最大傳輸距離影響因素的分析得到了線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李振杰[4]針對(duì)小功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸研究了采用三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)完成無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，主要研究三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的合理性、接收端不同負(fù)載接入方式及負(fù)載變化特性、傳輸方向特性、多接收端情況以及空間磁場(chǎng)分布和軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)性能影響。Johnson I. Agbinya[5]等采用蜂窩結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)了多維的無(wú)線(xiàn)傳能線(xiàn)圈，對(duì)作為接收線(xiàn)圈的亥姆霍茲線(xiàn)圈提供單向高質(zhì)量的能量傳輸。電力發(fā)射單元采取6個(gè)線(xiàn)圈的立體結(jié)構(gòu)，大大提高了在開(kāi)闊空間中，電能無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)撵`活度和傳輸效率。華南理工大學(xué)關(guān)就[6]基于空間距離2空心線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)互感耦合模型，并分析了線(xiàn)圈大小以及兩個(gè)空心線(xiàn)圈空間距離和電能傳輸效率的關(guān)系，同時(shí)分析電能傳輸效率的影響因素以及計(jì)算公式，提出的多維旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)輸電線(xiàn)圈的理論方案解決了無(wú)線(xiàn)輸電方向性及多負(fù)載同時(shí)供電的難題。東南大學(xué)王維[7]等對(duì)中繼線(xiàn)圈進(jìn)行了研究，針對(duì)雙中繼無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，采用互感耦合理論對(duì)其進(jìn)行建模分析，通過(guò)理論與仿真相結(jié)合的方法，進(jìn)一步分析系統(tǒng)傳輸效率與耦合系數(shù)及接收線(xiàn)圈匝數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于具體的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，探討了不同傳輸距離下的最優(yōu)化線(xiàn)圈匝數(shù)設(shè)計(jì)理念，為雙中繼無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及效率優(yōu)化方法提供了理論依據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)毛世通[8]解決了遠(yuǎn)距離、小尺寸接收端在極弱耦合系數(shù)條件下所帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸問(wèn)題。通過(guò)分析中繼線(xiàn)圈的在諧振頻率時(shí)的工作特征以及電流放大的理論機(jī)理，設(shè)計(jì)具有磁場(chǎng)增強(qiáng)功能的中繼線(xiàn)圈，并研究其頻率特性。

本文研究基于串-串諧振耦合電路模型的人體植入式無(wú)線(xiàn)電能傳輸模型，從電路角度分析系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率，建立其數(shù)學(xué)模型，研究了特定傳輸距離下線(xiàn)圈尺寸和匝數(shù)與傳輸效率和傳輸功率的關(guān)系，通過(guò)MATLAB數(shù)值仿真來(lái)尋研究無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)初、次級(jí)線(xiàn)圈的最優(yōu)匝數(shù)和半徑，結(jié)果表明在特定的傳輸距離中，線(xiàn)圈的尺寸和匝數(shù)存在著最優(yōu)的組合，同時(shí)呈現(xiàn)出當(dāng)線(xiàn)圈尺寸和匝數(shù)增加到特定值時(shí)傳輸效率基本不再增加，而傳輸功率會(huì)表現(xiàn)出先增加后減小的特性，該文的結(jié)果可以為醫(yī)學(xué)人體植入式設(shè)備無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的線(xiàn)圈設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

1　諧振耦合式WPT工作原理

諧振耦合式WPT技術(shù)主要是利用2個(gè)具有相同頻率的諧振電路，通過(guò)電磁共振實(shí)現(xiàn)了能量從靜止電源系統(tǒng)向供電設(shè)備的無(wú)線(xiàn)傳輸，亦屬于近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，根據(jù)傳輸媒介的不同。該類(lèi)技術(shù)利用具有相同諧振頻率的諧振體，在相隔一定距離時(shí)，以磁場(chǎng)或電場(chǎng)為媒介相互耦合，產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，其特點(diǎn)是不具有明顯的方向性，可以穿透非磁性物質(zhì)，傳輸功率適中，傳輸距離遠(yuǎn)，效率高，且諧振耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)以磁場(chǎng)為媒介，對(duì)人體和周?chē)h(huán)境的影響較小，安全可靠,理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。其理論原理在于：如果兩個(gè)諧振電路具有相同頻率，那么在波長(zhǎng)范圍內(nèi)，是通過(guò)近場(chǎng)瞬逝波耦合。感應(yīng)器產(chǎn)生的駐波在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于損耗時(shí)間內(nèi)，允許能量高效地從一個(gè)物體傳到另一物體。諧振耦合技術(shù)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)牡湫湍Ｐ腿鐖D1所示，該模型主要包括電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)，這是無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)(Wireless Power Transmission, WPT)的關(guān)鍵部分。

在工程實(shí)踐中，電磁發(fā)射系統(tǒng)主要由勵(lì)磁線(xiàn)圈A、發(fā)射線(xiàn)圈S組成的發(fā)射回路和接收線(xiàn)圈D、負(fù)載線(xiàn)圈B組成的接收回路構(gòu)成。發(fā)射回路和接收回路之間都是通過(guò)直接耦合關(guān)系把能量從勵(lì)磁線(xiàn)圈傳到發(fā)射線(xiàn)圈。發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間通過(guò)空間磁場(chǎng)的諧振耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線(xiàn)傳輸。工作過(guò)程：發(fā)射電路A作為激勵(lì)源產(chǎn)生中高頻磁場(chǎng)，發(fā)射線(xiàn)圈S在外加激勵(lì)下諧振，能量由A耦合到S，S與接收端諧振線(xiàn)圈D產(chǎn)生磁耦合諧振進(jìn)行能量傳輸，D與負(fù)載線(xiàn)圈B耦合實(shí)現(xiàn)能量傳輸。其中，A與S之間和D與B之間都是近距離耦合，S與D之間是遠(yuǎn)距離耦合。

圖1　無(wú)線(xiàn)電能傳輸示意圖Fig.1　Schematic diagram of wireless power transfer

2　諧振耦合電能無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)學(xué)模型

2.1 諧振電路的影響

圖2是諧振耦合式電能無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的等效原理圖，其發(fā)射與接收回路都使用了串聯(lián)拓?fù)渲C振結(jié)構(gòu)。兩線(xiàn)圈的等效阻抗分別為：LS、LD；CS、CD為串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容；RS、RD分別為發(fā)射回路與接收回路的等效阻抗；RW為負(fù)載阻抗，線(xiàn)圈LS、LD的互感M，電源交流角頻率為ω。

諧振耦合電能無(wú)線(xiàn)傳輸除發(fā)射回路和接收回路外，還包括高頻發(fā)射功率源和接收功率的負(fù)載。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，忽略高頻逆變的發(fā)射源部分，直接將收發(fā)電路作為研究對(duì)象，則諧振耦合模型如圖2所示，其中LS、LD；CS、CD為串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容;RS、RD分別為發(fā)射回路與接收回路的等效阻抗；RW為負(fù)載阻抗，線(xiàn)圈LS、LD的互感M，電源交流角頻率為ω。

圖2　線(xiàn)圈耦合電路模型Fig.2　Circuit model of coupling windings

假設(shè)線(xiàn)圈LS,LD的互感M，電源交流角頻率為ω，可有兩回路等效阻抗

(1)

(2)

列KVL回路方程可求出線(xiàn)圈LS，LD等效回路電流：

(3)

(4)

由上面兩式可知，線(xiàn)圈耦合諧振后兩回路阻抗發(fā)生變化，LS反映到LD的阻抗ZDS及LD反映到LS阻抗的ZDS分別為：

(5)

(6)

假設(shè)負(fù)載為純阻性負(fù)載，則LS上的輸入功率及負(fù)載RW上獲得的輸出功率：

(7)

(8)

可知系統(tǒng)的的傳輸效率為：

(9)

3　數(shù)值仿真

首先對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率與線(xiàn)圈半徑、匝數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行仿真。為方便計(jì)算，設(shè)置線(xiàn)圈(用2個(gè)相同的線(xiàn)圈作為初次級(jí)線(xiàn)圈)參數(shù)如下：線(xiàn)阻Rd和Rs都為0.5Ω，線(xiàn)圈的負(fù)載是5Ω，由于人體植入式設(shè)備的植入深度在0.02m，適合人體植入式無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)闹C振頻率在10 M左右，故設(shè)置兩線(xiàn)圈之間的距離是0.02 m，自諧振頻率為10 MHz，共振時(shí)等效阻抗Zd和Zs分別取Zd=Rw+Rd和Zs=Rs，真空磁導(dǎo)率u=4π·10-7N/m2，電壓U=6V,則傳輸效率η和線(xiàn)圈匝數(shù)N1(兩線(xiàn)圈匝數(shù)相同，取1到25匝)以及線(xiàn)圈半徑r1(在0.01 m到0.34 m內(nèi)等間距取25個(gè)點(diǎn))的關(guān)系如圖3：

由此可見(jiàn)，在僅改變線(xiàn)圈匝數(shù)的情況下，系統(tǒng)的傳輸效率η隨著匝數(shù)的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但當(dāng)匝數(shù)增加到一定程度后，效率基本保持不變；同樣的，在僅改變線(xiàn)圈半徑的情況下，系統(tǒng)的傳輸效率隨著線(xiàn)圈半徑的增加也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但當(dāng)線(xiàn)圈半徑增加到一定程度后，效率也很難增加，最大效率約為90%。圖中點(diǎn)為線(xiàn)圈半徑為0.015 m、匝數(shù)為6匝時(shí)，傳輸效率為80.03%。

之后，對(duì)系統(tǒng)的充電功率與線(xiàn)圈半徑、匝數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行仿真，仍然使用上述的線(xiàn)圈和參數(shù)，得到下圖：

圖3　傳輸效率與線(xiàn)圈半徑、匝數(shù)的關(guān)系Fig.3　The relationship between transmission efficiency and the radius of coil, the number of turns

圖4　充電功率與線(xiàn)圈半徑、匝數(shù)的關(guān)系Fig.4　The relationship between transmission power and the radius of coil, the number of turns

由圖4可以看出，在線(xiàn)圈半徑一定的情況下，充電功率隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加先增大后減小，即存在一個(gè)峰值，圖中點(diǎn)為線(xiàn)圈半徑為0.015 m、匝數(shù)為6匝時(shí)，功率為6.898瓦。為研究充電功率峰值與線(xiàn)圈半徑和匝數(shù)的關(guān)系，對(duì)公式9進(jìn)行數(shù)值分析：

對(duì)公式9右邊分子分母同時(shí)除以M2得到：

(10)

(11)

時(shí)，等號(hào)成立，此時(shí)(10)式可取的最大值，也就是峰值。

對(duì)(11)式，帶入

(12)

ZD=RW+RD，ZS=RS，

(13)

并進(jìn)一步整理，即可得到線(xiàn)圈半徑與線(xiàn)圈匝數(shù)的一個(gè)關(guān)系式：

(14)

由此得到，當(dāng)r1，N1滿(mǎn)足(14)時(shí)，充電功率P可取得最大值，為此，在仿真圖表中取點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證方法為使匝數(shù)相同，比較最大功率處仿真方法和數(shù)值分析法得到的線(xiàn)圈半徑。

下表為充電功率P與線(xiàn)圈半徑(0.01～0.03 m)、匝數(shù)(1～8匝)的仿真數(shù)據(jù)， 8匝以后功率隨線(xiàn)圈半徑增加而減小，不再比較。

接著給出了1～7匝最大功率處仿真方法和數(shù)值分析法得到的線(xiàn)圈半徑的比較表格如表2。

表1　充電功率與線(xiàn)圈半徑和匝數(shù)關(guān)系Table 1　Relationship between charging power with coil radius and number of turns

①Turn；②Power;③Radius

表2　最大功率處誤差Table 2　Error in the maximum power point

考慮到仿真過(guò)程中取值間隔為0.001m，所以仿真結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果本身就存在一定偏差，因此得出結(jié)論，數(shù)值分析的結(jié)果和仿真分析的結(jié)果相吻合。

最后，綜合考慮線(xiàn)圈的傳輸效率和充電功率，對(duì)得到的25×25=625組數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選,篩選條件為：傳輸效率大于80%并且充電功率大于6.5瓦，得出共有四組數(shù)據(jù)符合條件，他們是(線(xiàn)圈半徑、匝數(shù)、傳輸效率、充電功率)：第一組(0.011m，17匝，80.08%，6.8667瓦)、第二組(0.015m，6匝，80.03%，6.8977瓦)、第三組(0.016m，5匝，80.63%，6.5639瓦)、第四組(0.017m，4匝，80.8%，6.8667瓦)。再根據(jù)實(shí)際情況，選取第二組數(shù)據(jù)作為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，即使用0.015m的線(xiàn)圈半徑和6匝線(xiàn)圈進(jìn)行線(xiàn)圈設(shè)計(jì)以得到較好的傳輸效率和傳輸功率。

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)人體植入式電子設(shè)備無(wú)線(xiàn)供能系統(tǒng)的線(xiàn)圈優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，根據(jù)采用的串-串諧振電路建立其理論計(jì)算模型，分析了特定傳輸距離下系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率，進(jìn)一步研究了特定傳輸距離下，線(xiàn)圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從數(shù)值仿真的結(jié)果得到以下結(jié)論在特定的傳輸距離限制下，當(dāng)線(xiàn)圈尺寸和匝數(shù)增加到特定值時(shí)傳輸效率基本不再增加，而傳輸功率會(huì)表現(xiàn)出先增加后減小的特性，線(xiàn)圈的尺寸和匝數(shù)存在著最優(yōu)的組合，可以達(dá)到傳輸效率和傳輸功率雙優(yōu)的要求，為該基于諧振耦合傳能的人體植入式線(xiàn)圈設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[2]Kurs A, Karalis A, Moffatt R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J]. Science, 2007, 317(5834): 83-86.

[3]李陽(yáng), 楊慶新, 閆卓, 等. 無(wú)線(xiàn)電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013(1): 106-112.

Li yang, Yang qingxin, Yan zhuo， et al. Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J]. Transactions of China Electrotechinical Society, 2013(1): 106-112.

[4]李振杰. 遠(yuǎn)距離小功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

Li zhenjie. Long Range and Low Power Wireless Power Transmission Technology Research[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014.

[5]AGBINYA J I, MOHAMED N F A. Design and study of multi-dimensional wireless power transfer transmission systems and architectures[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2014, (63): 1047-1056.

[6]關(guān)就. 多維旋轉(zhuǎn)式無(wú)線(xiàn)輸電裝置的研究與設(shè)計(jì)[D]. 廣州： 華南理工大學(xué), 2014.

Guan jiu. Research and Design of Multi-Dimensional Rotation Type Wireless Transmission Device[D]. Guang zhou: South China University of Technology， 2014.

[7]王維, 黃學(xué)良, 周亞龍, 等. 雙中繼無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)建模及傳輸效率分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, (9): 1-6.

Wang Wei, Huang Xueliang, Zhou Yalong， et al. Modeling and transmission efficiency analysis of wireless power transmission system with dual relay [J]. Transactions of China Electrotechinical Society, 2014, (9): 1-6.

[8]毛世通, 朱春波, 李陽(yáng), 等. 應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的中繼線(xiàn)圈工作性能[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, (9): 27-32.

Mao Shitong, Zhu Chunbo, Li Yang, et al. Operation performance of repeating coil for wireless power transfer[J]. Transactions of China Electrotechinical Society, 2014, (9): 27-32.

責(zé)任編輯陳呈超

Optimization Design of Coil for WPT System Based on Resonance Coupling of Human Implantable Devices

GONG Fei-Xiang, WEI Zhi-Qiang, YIN Bo, TANG Chen-Fei, CHI Hao-Kun

(School of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Wireless power transfer via magnetically resonant coupling is a new technology to transfer power over a long distance which can be used fro human implantable devices. Due to the limit of human space,miniaturization and high efficiency are hot spots of optimum design of implantable devices based on resonant coupling wireless energy transmission. This paper analyzes the relationship between system’s transmission efficiency and transmission power, coil size, load, distance from the circuit view, and specifically researches the problem under specific transmission distance, the relationship between the coil size, number and transmission efficiency, power from the view of series to series resonant coupling circuit model, then carries on numerical simulation and optimization. The results indicate that under the specific transmission distance limitation, the transmission efficiency does not increase substantially when the size and number of turns of the coil increase to a certain value, and the transmission power will show the first increase and then decrease. There is an optimal combination of the size of the coil and the number of turns to achieve the double optimal requirements of transmission efficiency and transmission power. The results of this paper can provide a guiding significance to the design of human implantable device capable of wireless transmission coil in the field of biomedical engineering.

implantable devices; resonant coupling; maximum efficiency; maximum power; combinatorial optimization; resonant frequency

國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA10490)資助

2014-07-20；

2015-02-12

宮飛翔(1986—)，男，博士生。E-mail:gongfeixiang@gmail.com

TM71

A

1672-5174(2016)10-129-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140163

Supported by National Special International Cooperation Project in Science and Technology(2013DFA10490)