基于PZT的超声波无接触能量传输系统的研究

    1 引言

    利用超声波方式实现能量传输最早可追溯到1956 年，由 Rosen 设计了一种由一次、二次 PZT压电陶瓷（PZT-PbZrTiO3，锆钛酸铅）组成的压电变压器[1]，使用声波进行能量传输。目前超声波（声波）无线能量传输，主要应用在医疗和航天军工领域。在医疗领域，通过皮肤给植入人体的 PZT 传输声能量，实现对植入式医疗设备（心脏起搏器等）的经皮能量传输[2-3]。在航天和军工领域，使用 PZT换能器产生声波，给密闭环境内工作的电子设备进行供电[4-5]。

    以上（超）声波无线能量传输技术，都是隔固体进行传输的。采用隔板方法来实现（超）声波无线能量传输的技术能够提高传输的能量，但其缺点也是明显的，需要让（超）声波发射装置和能量接收装置紧贴隔板。相比之下，隔气体传输由于受到空气介质特殊性（空气声阻抗和固体声阻抗极不匹配）的制约，发展比较缓慢，直到 2003 年才由Ishiyama T 等在 IEEE 超声学术研讨会中提出使用PZT 产生超声波给小功率移动电子设备充电[6]。但是 Ishiyama T 等只是以实验方式对系统进行了展示，未能对系统进行相关的理论分析。目前以（超）声波作为能量传输媒介的无接触能量传输的研究主要集中在（超）声波能量的收集[7-9]，就是通过一种（超）声波接收换能器器来实现对超声波能量的收集。此种方式所能收集到的最大能量为 4.8×10−10W/cm2[9]，难以在实际应用。

    本文研究一种以超声波作为耦合媒介，通过超声发射−接收压电陶瓷换能器之间的共振，实现无接触能量传输的方法—无接触能量传输（contactlesspower transmission），就是利用一种特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而可以在无需电缆线的情况下直接传输电能。当系统处于共振状态时，基于逆压电效应，超声发射换能器实现了电能→机械能→声能的能量转化，对于超声接收换能器，则是利用了正压电效应，实现了声能→机械能→电能的转化，从而实现了能量的无接触传输。通过分析声波的传输过程，基于机电等效和类比的方法建立了超声方式无接触能量传输系统的电路模型，并对系统模型进行了理论分析，最后通过仿真和实验研究了负载阻抗与负载功率及传输距离与负载功率、系统效率之间的关系。理论分析、仿真和实验表明，将超声波作为媒介可以摆脱隔板电能传输的局限性，在一定有效距离范围内进行无接触电能传输。

    2 系统工作原理

    基于 PZT的超声波方式无接触能量传输系统由电源、发射和接收 PZT 换能器以及能量管理模块组成，如图 1 所示。其中发射和接收 PZT 换能器的固有谐振频率分别为 fsr，当匹配电源输出交流电的频率 fe应与发射换能器谐振频率 fs以及接收换能器谐振频率 fr相同，即 fe=fs=fr时，这时换能器间将发生共振，从而实现了能量的传输。