一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置及供电方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置及供电方法。结构包括柔性衬底、智能材料层和线圈层。其工作状态分为：正常工作状态，此时其工作频率与发射端一致，与发射端共振，能最大程度的接收发射端发射的能量。接收到能量提供给负载，从而实现负载的无线供电。关断状态，由于环境状态的变化，比如温度、湿度、气体浓度的变化，智能材料感知环境因素的变化，接收端的共振频率随之发生偏移，不再与发射端共振，此时接收到的能量很小，无法供应负载能量，从而实现自动断电。装置轻量、可弯曲、可折叠、高度灵活，可与不同环境敏感的智能材料结合，调控无线供电，实现无线供电的智能控制，并能自动断电，更加轻便、节能和安全。全。全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置及供电方法


[0001]本专利技术涉及一种无线供电方法及其装置，尤其是涉及一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置及供电方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着低功率电子设备(包括可植入式医疗设备、可穿戴便携式电子设备和物联网设备等)的飞速发展，人们对各种柔性设备的需求迅速增加，各种轻量、可弯曲、可折叠和高度灵活的柔性设备相继面世。这些应用的供电模块不需要大的供电量，但是轻重量、小体积以及与非平面基板的兼容性至关重要，电源设备必须能与几何形状广泛变化的设备配对使用。柔性设备已成为可植入医疗领域、可穿戴领域以及物联网领域的研究热点，而柔性供电则是其中的一项关键技术，其实现将为新的应用打开大门。
[0003]在各种能源供应设备中，无线能量传输(WPT)是一种新兴的技术，由于它能够在不物理接触的情况下同时向多个电子设备无线提供电力，且支持移动设备充电，因此受到了广泛关注，被视为移动电子设备的理想能源供应技术。根据市场评估，预计到2022 年，WPT在可穿戴/柔性电子产品领域的技术效益将扩大到112.7亿美元。
[0004]包括生物传感器或致动器在内的可植入医疗设备经常被认为是无线供电的近期潜在应用。这些设备目前是使用电池来供电，更换电池可能需要频繁地进行额外的侵入性外科手术，每次外科手术都会给患者带来固有的风险。而目前最佳的做法是采用无线供电，这样极大地增加了可植入或佩戴的灵活性，以及生物相容的机会，而不会给用户带来风险或不适。
[0005]除了可植入的医疗设备和生物传感器之外，日常物品变得相互联系并被赋予具有传感，处理，通信或能源管理功能的小型低功耗电子设备的数量也在迅速增加，而术语“物联网”指代了这种趋势。随着无处不在的物联网的兴起，人类社会生态形态将发生翻天覆地的变化，人类生活质量和整个世界的经济增长将大幅度提高。专家报告说，物联网对于家庭、智能城市和医疗保健应用具有可信的潜在价值。到2025年，物联网的全球经济效应大约在2.7到6.2万亿美元之间，全球可能有超过万亿设备彼此连接，达到前所未有的规模。由于物联网涉及大量的传感器节点，因此消除对需要频繁维护或更换的电池的依赖至关重要。面对这一挑战，无线供电展现了独特的魅力。
[0006]可穿戴设备是现在的消费热点和前沿之一，引起了人们相当大的兴趣。比如智能手表，VR(虚拟现实)/AR(增强现实)智能眼镜和电子纺织等可穿戴电子设备是新兴的技术平台，正在重塑人们与周围世界互动的方式。通过采用柔软，轻便，有时甚至可拉伸的材料，以及美观且功能多样的设计，这些可穿戴设备可满足人类舒适度要求。但是有限容量的锂离子电池(LIB)电源会导致工作/待机时间短和频繁的充电。为了缓解这一问题，有报道采用太阳能电池，热电发电机和纳米发电机等能量收集技术。但是，这些技术的间歇性和低功率输出是不可避免的问题，限制了它们用作可穿戴电子设备的电源的可能。无线电力传输
(WPT)被广泛认为是可穿戴电子设备的一种有前途且可取的电力充电方法。
[0007]柔性无线供电在众多领域都有广泛的用途。另一方面，很多场景需要对无线供电进行控制，在特定情况下关断供电，比如温度过高或者湿度过高，或者气体泄漏浓度过高时，需要切断电源。现在的控制方式多通过MCU和控制电路实现，这在一定程度上增加了耗电量，增大了体积和质量，且存在安全隐患。

技术实现思路

[0008]本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0009]一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，其特征在于，包括
[0010]发射端：与射频信号发生器连接，发射能量；
[0011]接收端：工作频率与发射端一致，接收端与发射端共振，接收发射端发射的能量，接收端接收到能量提供给负载。
[0012]在上述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，所述接收端包括由下至上依次设置的柔性衬底、智能材料层和线圈层，所述柔性衬底可弯曲呈拱形状；智能材料层能够感知环境因素的变化，当环境因素发生变化时，电磁特性随之发生变化，线圈层为接收能量的天线。
[0013]在上述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，所述线圈层是平面螺旋结构。
[0014]一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置的供电方法，其特征在于，包括：
[0015]正常工作模式：接收端的工作频率与发射端一致，接收端与发射端共振，接收端能最大程度的接收发射端发射的能量，接收端接收到能量提供给负载，从而实现负载的无线供电；
[0016]关断工作模式：若环境因素发生变化，所述智能材料层感知环境因素的变化，接收端的共振频率随之发生偏移，不再与发射端共振，接收端接收到的能量很小，无法供应负载能量，从而实现自动断电。
[0017]在上述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置的供电方法，所述接收端中线圈层的参数获取方法包括以下步骤:
[0018]步骤1，定义接收端正常工作频率为f
on
，即发射端发射频率；定义接收端关断模式的功率为P
off
；
[0019]步骤2：构建环境参数数据集；
[0020]智能材料支持的环境参数范围为data1～data
K
，将其均匀取样，构成环境参数数据集，即步骤2所述环境参数数据集，具体定义为：
[0021]data
i
＝(data
K
‑
data1)*i/K，i∈[1,K][0022]其中，data
i
为环境参数数据集中第i个环境参数，K为环境参数数据集中环境参数的数量；
[0023]步骤3，构建智能材料层参数数据集；
[0024]M
i
＝(ε
i
,tan(δ
i
))
[0025]i∈[1,K][0048]设激活函数是
[0049][0050]定义损失函数为
[0051][0052]ti是输出端的期望输出值，zi是训练输出值，E是损失函数值，训练集中的真实值，即共振频率为f
on
时无线供电功率最大，且当环境参数为关断环境参数data0，关断功率为P
off
时所对应的线圈层参数；
[0053]设准则为E<0.0000001，经迭代训练，当准则被满足，则停止训练，输出权值；
[0054]步骤9，根据应用需要，将关断环境参数、共振频率和关断功率输入完成的神经网络，神经网络输出线圈的匝数、间距和内径，得到线圈层参数。
[0055]在上述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置的供电方法，f1
ij
、 f2
ij
获得方式如下：
[0056]步骤6.1，设计接收端的线圈层，接收设备的线圈外径和线径取固定值，线圈的匝数、间距和内径为线圈层参数集中第j组参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，其特征在于，包括发射端：与射频信号发生器连接，发射能量；接收端：工作频率与发射端一致，接收端与发射端共振，接收发射端发射的能量，接收端接收到能量提供给负载。2.根据权利要求1所述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，其特征在于，所述接收端包括由下至上依次设置的柔性衬底、智能材料层和线圈层，所述柔性衬底可弯曲呈拱形状；智能材料层能够感知环境因素的变化，当环境因素发生变化时，电磁特性随之发生变化，线圈层为接收能量的天线。3.根据权利要求1所述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置，其特征在于，所述线圈层是平面螺旋结构。4.一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置的供电方法，其特征在于，包括：正常工作模式：接收端的工作频率与发射端一致，接收端与发射端共振，接收端能最大程度的接收发射端发射的能量，接收端接收到能量提供给负载，从而实现负载的无线供电；关断工作模式：若环境因素发生变化，所述智能材料层感知环境因素的变化，接收端的共振频率随之发生偏移，不再与发射端共振，接收端接收到的能量很小，无法供应负载能量，从而实现自动断电。5.根据权利要求4所述的一种基于环境感知的可自断电柔性无线供电接收装置的供电方法，其特征在于，所述接收端中线圈层的参数获取方法包括以下步骤:步骤1，定义接收端正常工作频率为f
on
，即发射端发射频率；定义接收端关断模式的功率为P
off
；步骤2：构建环境参数数据集；智能材料支持的环境参数范围为data1～data
K
，将其均匀取样，构成环境参数数据集，即步骤2所述环境参数数据集，具体定义为：data
i
＝(data
K
‑
data1)*i/K，i∈[1,K]其中，data
i
为环境参数数据集中第i个环境参数，K为环境参数数据集中环境参数的数量；步骤3，构建智能材料层参数数据集；M
i
＝(ε
i
,tan(δ
i
))i∈[1,K]其中，M
i
为智能材料层参数数据集中第i组环境参数下对应的智能材料层参数，ε
i
为智能材料层参数数据集中第i组环境参数下对应的介电常数，tan(δ
i
)为智能材料层参数数据集中第i组环境参数下对应的损耗正切，K为智能材料层参数数据集中不同环境参数下对应的智能材料层参数的数量；Mi通过将智能材料置于第i组环境参数下连接网络分析仪的介电常数测量组件测得；步骤4，构建功率数据集；接收端接收的功率范围为P1～P
K
，将其均匀取样，构成功率数据集，即步骤4所述功率数据集为：P
i
＝(P
K
‑
P1)*i/K，i∈[1,K]
其中，P
i
为功率数据集中第i个功率，K为关断功率数据集中关断功率的数量；步骤5，构建线圈层参数数据集；Coil
j
＝(N
j
,S
j
，D
j
)j∈[1,KK]其中，Coil
j
为线圈层参数数据集中第j组参数下对应的线圈层参数，N
j
为线圈层参数数据集中第j组参数下对应的匝数，S
j
为线圈层参数数据集中第j组参数下对应的间距，D
j
为线圈层参数数据集中第j组参数下对应的内径，KK为线圈层参数数据集中参数的数量；步骤6，构建频率数据集；F
ij
＝(f1
ij
,f2
ij
)i∈[1,K]j∈[1,KK]其中，F
ij
为频率数据集中第i组环境参数第j组线圈层参数下对应的共振频率和关断频率，f1
ij
为频率数据集中第i组环境参数第j组线圈层参数下对应的共振频率，此时接收到的无线供电功率最大；f2
ij
为频率数据集中第i组环境参数第j组线圈层参数下对应的关断频率，K为环境参数数据集中环境参数的数量，KK为线圈层参数数据集中参数的数量；步骤7，构建线圈层神经网络的训练集，训练集的输入数据集为关断环境参数data0，data0∈环境参数集；共振频率，共振频率f...

【专利技术属性】
技术研发人员：石新智，叶双莉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：