一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置和体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式耦合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，所述体外能量发射装置将直流供电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接收线圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载，本发明专利技术克服由于能量线圈之间位置或距离的改变致体内接收端电压的波动，自动调节发射功率，维持体内接收端电压恒定，达到调节发射功率维持体内电压恒定的功能，保证体内电子设备的正常稳定，使整个经皮供能系统更加安全方便。

【技术实现步骤摘要】
一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统
本专利技术涉及一种无线能量传输装置，具体是一种应用于植入式电子医疗器械的输 出功率可自适应调控的经皮供能调节系统。
技术介绍
植入式电子医疗设备，如人工肛门括约肌，胃肠道刺激器、心脏起搏器和神经刺激 器等，在治疗各种疾病过程中扮演着越来越重要的角色，并且得到了广泛的临床应用。但 能量供给问题一直是上述设备的瓶颈，早期体外拖缆式供电方式因其术后的高感染率和 并发症已被淘汰，对于大功耗移植设备传统电池供电也因体积大寿命短而无法得到广泛应 用。随着经皮能量传输（transcutaneous energy transfer，TET)技术的不断发展，基于 TET供能成为此类设备的最佳选择，其安全性和便捷性不言而喻。 经过对现有技术的文献检索发现，传统的经皮能量对体内体外能量线圈的位置要 求非常严格，而使用者的正常运动或者不同个体移植处脂肪肌肉生理结构的差异性会使线 圈之间发生不可避免的相对位移（轴向、径向和角度），从而直接导致线圈间耦合强度的 变化，系统传输能力急剧改变，体内接收电压或大或小，严重影响到体内电子系统的正常工 作。所以传统的TET供能通常会要求相对严格的线圈摆放范围或采用磁贴间接引导体体内 外线圈的对齐固定；也可通过设计阵列式发射线圈牺牲体积来增大有效接触范围。但对于 植入式经皮供能上述方法可操作性不强，无疑限制了其应用的灵活性和方便性。除此之外， 也可通过无线通信实时获取体内电压的输出值，在体外发射端采用某种调控机制补偿位置 变化导致的耦合因数的变化，维持体内接收电压的相对稳定，但额外的无线通信模块和外 围电路无疑增加了系统的复杂性和成本，其调节的响应速度也不能保证。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于经皮能量传输系统的自适应 无线供能调节系统，解决传统TET系统能量线圈需固定相对位置的不便性，使用更加安全、 稳定。 为了解决上述技术问题，采用下列技术方案： -种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置 和体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式 耦合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，其中，所述体外能量发射装置将直流供 电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接收线 圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载。 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，所述体外能量 发射装置包括功率调节器、发射器和能量发射线圈；功率调节器产生输入信号，输入信号用 于驱动发射器，将信号通过能量发射线圈传输至体内能量接收装置； 所述体内能量接收装置包括能量接收线圈和接收器，所述接收器包含第二谐振匹 配电路和整流滤波稳压电路；第二谐振匹配电路与接收线圈共同组成谐振回路，以补偿电 抗损耗；整流滤波稳压电路将接收的信号进行整流、滤波和稳压处理形成稳定的直流电压， 提供给负载； 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，所述发射器包括能量 逆变电路和谐振匹配电路，逆变电路将直流电能转变为交流电提供给谐振匹配电路，所述 谐振匹配电路与所述能量发射线圈相配合用于无线发射电力。 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，功率调节器包 含信号处理电路、信号驱动电路和相位检测电路，相位检测电路输出的信号经由信号处理 电路处理输入信号驱动电路。 所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，能量发射线圈 包括衬底、磁性凸台；所述磁性凸台固定于所述衬底上，位于所述衬底中心线上，所述磁性 凸台外周沿周向绕制有多层螺旋线圈形成线圈组，所述线圈组的直径与所述衬底的直径相 等。 所述用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其中，所述螺旋线圈包 括多股漆包铜线，多股所述漆包铜线绞合而成。 根据本专利技术的第二个方面，基于上述
技术实现思路
，提出的自适应调控方法包括： 设定体外发射端初始发送频率（&)作为第一条件。 设定发射和接收线圈电感L和调谐电容值C构成第二条件，其中线圈电感值为实 际应用中所设计的线圈电感测量值，调谐电容大小选择原则为C = (2 π f)2/L，为了防止LC 回路完全谐振时回路电流过大而损坏电路，且保证零电压开关（ZVS)逆变，式中f应略小于 f〇。 设定体内接收电压期望调节值（％)作为第三条件。 在实施方式中，设定线圈间的实际距离范围，在最弱耦合因子情况下（最大距 离），调节发射端供电电压（vs)，使体内接收电压达到期望输出值后固定发射端供电电压， 得到期望电压传输增益比G = %/\。 在实施方式中，相位差反馈信号与线圈间耦合因子变化关系由系统数学模型推导 而出。 在实施方式中，电压传输方程由无线能量传输电路T型简化模型推导而出。 在实施方式中，通过对电压传输方程的求解，可获得发射频率关于耦合因子和电 压传输增益的关系方程，即频率控制方程。 本专利技术的有益效果： 本专利技术基于体外发射器中谐振回路的负载电压电流信号相位差，无需建立无线通 信回路，以数学模型的形式间接反映出线圈位置相对变化导致的耦合因数的变化；并通过 所设计的发射频率控制规则，调节发射频率维持体内输出电压的恒定，相位反馈频率控制 的解决方案表现稳健且高效，使整个系统更加兼容、稳定、安全和人性化。 【附图说明】 参照附图，本文仅通过示例描述本专利技术。现关于对详细附图的具体的引用，强调： 所示的细节是通过示例、仅出于对本专利技术优选实施方式的例证性的讨论的目的而被示出， 并且这些细节的呈现为了提出被认为是最有用并易于理解的、本专利技术原理和概念方面的描 述。基于这种理念，并未尝试超出对本专利技术基本理解所需地更详细的示出本专利技术的结构细 节，带有图的说明使本领域技术人员清楚地了解本专利技术的一些形式是如何在实际中被实施 的。 图1为自适应无线供能调节系统的简化框图。 图2为自适应无线供能调节系统的简化示意图。 图3为示范性实施例中体内负载应用的简化示意图。 图4说明供本专利技术的示范性实施例中使用的能量线圈的结构图。 图5是根据本专利技术的示范性实施例的相位检测电路的简化框图。 图6展示自适应无线供能调节系统电路简化模型。 图7示出作为耦合因子的函数的相位差的仿真关系曲线。 图8是自适应无线供能调节系统传输链路T型电路模型。 图9为模拟结果，其中，根据本专利技术的实施方式电压传输增益作为耦合因子的函 数被画出。 图10为作为耦合因子的频率控制拟合曲线； 图11是说明根据本专利技术的示范性实施例的方法的流程图。 【具体实施方式】 除非另外定义，本文所使用的所有的技术和科学术语具有与本专利技术所属领域技术 人员通常的理解相同的含义。本文提供的材料、方法和示例仅是示例性的并不意味着有所 限制。 本文所用的词示例的意为用作例子、实例或例证。任何被描述为示例的 实施方式不必解释为比其他实施方式优选或有利和/或不必排除来自其他实施方式的特 征的并入。 本文所用的词可选地意为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置和体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式耦合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，其特征在于，所述体外能量发射装置将直流供电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接收线圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载。

【技术特征摘要】
1. 一种用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，包括体外能量发射装置和 体内能量接收装置；所述体外能量发射装置和体内能量接收装置之间通过电磁感应方式耦 合，所述体内能量接收装置连接负载以提供电能，其特征在于，所述体外能量发射装置将直 流供电电压逆变为交流，驱动LC谐振回路，产生交变磁场；所述体内能量接收装置通过接 收线圈感应生电，经过整流、滤波和稳压输出满足要求的供电电压，驱动负载。2. 根据权利要求1所述的用于经皮能量传输系统的自适应无线供能调节系统，其特征 在于，所述体外能量发射装置包括功率调节器、发射器和能量发射线圈；功率调节器产生输 入信号，输入信号用于驱动发射器，将信号通过能量发射线圈传输至体内能量接收装置； 所述体内能量接收装置包括能量接收线圈和接收器，所述接收器包含第二谐振匹配电 路和整流、滤波、稳压电路；第二谐振匹配电路与接收线圈共同组成谐振回路，以补偿电抗 损耗；整流滤波稳压电路将接收的信号进行整流、滤波和稳压处理形成稳定的直流...

【专利技术属性】
技术研发人员：克磊，
申请(专利权)人：海龙核材科技江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32