Revision: Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer A Battery-less Platform for the Internet of Underwater Things

Un nodo sensor submarino recargable inalámbricamente por ondas ultrasónicas restaura 1W de potencia a 1 metro en 5 minutos, usando una viga compuesta piezoeléctrica de  y una placa Teensy 3.6 para la comunicación, su estructura montada en PCB incluye el amplificador operacional AD826, El mesclador AD633 y preamplificador AD8338. Se diseño para transportar energía a un módem submarino remoto, lo que permite una plataforma sin batería y alimentada de forma inalámbrica para IoUT. El uso de supercondensadores, sustituye a las baterías tradicionales o recargables.

Aportaciones al diseño de sistemas WPT

Este sistema aporta una solución innovadora para la recarga remota de nodos submarinos mediante ultrasonidos, eliminando la dependencia de baterías y ampliando la distancia de operación con menor pérdida de energía. Utiliza un solo transductor para la comunicación y carga, optimizando espacio, peso y costos.

Estructura del sistema

El sistema consta de un transductor ultrasónico, supercapacitores para almacenamiento de energía, una placa Teensy para la gestión del nodo, y un USRP para la transmisión y recepción de señales. Estos componentes se integran para realizar la transferencia de energía y comunicación simultáneamente.

Funcionamiento (Fases)

1. Captación de energía ultrasónica: El transductor convierte las ondas ultrasónicas en energía eléctrica.
2. Almacenamiento: La energía se almacena en supercapacitores en lugar de baterías.
3. Transmisión de datos: Simultáneamente, el mismo transductor se emplea para la comunicación entre nodos.
4. Gestión de energía: La placa Teensy controla el proceso de recarga y comunicación.

Hardware clave

Los componentes clave incluyen el transductor ultrasónico, los supercapacitores, la placa Teensy y el USRP, todos trabajando en conjunto para asegurar una comunicación eficiente y transferencia de energía.

Parámetros logrados

El sistema logra restaurar 1 W de potencia en 5 minutos a una distancia de 1 metro, con una eficiencia destacada frente a alternativas de acoplamiento electromagnético.

Información relevante de diseño

Es crucial seleccionar un transductor que equilibre eficiencia y tamaño, además de optimizar la red de adaptación para maximizar la transferencia de energía. La configuración de los supercapacitores y su relación con el nodo también son esenciales.

Metodología

El sistema fue evaluado experimentalmente, comparando la eficiencia de la transferencia de energía ultrasónica con otras tecnologías (como el acoplamiento electromagnético), realizando mediciones a distintas distancias y potencias.

Resultados condensados

El prototipo demostró una transferencia eficiente de energía y comunicación a través de ultrasonidos, logrando una restauración de energía rápida en distancias mayores a las cubiertas por tecnologías tradicionales. La plataforma sin batería es viable y aplicable para el IoUT, con mejoras en costos y mantenimiento.

Conceptos teóricos explicados

Entre los conceptos clave se explican la transferencia de energía inalámbrica (WPT), la propagación de ondas ultrasónicas, la atenuación en medios acuosos, y la eficiencia de conversión de energía en supercapacitores.

Aplicaciones mencionadas

El sistema WPT está destinado principalmente para el Internet de las Cosas Submarinas (IoUT), con aplicaciones en vigilancia militar, monitoreo de sistemas en la industria del petróleo y gas, y control ambiental y explotación comercial del entorno acuático.

 La Internet de los objetos submarinos (IoUT) y su alimentacion con baterias. 

presenta el diseño del primer nodo sensor submarino sin batería que puede recargarse de forma inalámbrica mediante ondas ultrasónicas

 se presenta la arquitectura de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica a partir de ondas ultrasónicas

ilustramos cómo conectar este sistema con una unidad de comunicación digital submarina.

diseño de un prototipo donde la unidad de almacenamiento se realiza con un lote de supercondensadores

 la energía recolectada es suficiente para proporcionar al nodo sensor la energía necesaria para realizar una operación de detección y alimentar un módem para comunicaciones ultrasónicas.

La Sección 2 proporciona material de referencia y una descripción general de las técnicas de alimentación en redes submarinas.

Otros ejemplos de WPT

 En la Sección 3 se presenta la arquitectura del sistema propuesta y su principio de funcionamiento.

 En la Sección 4 describimos los principios físicos subyacentes de la atenuación de ondas y campos en los casos de ondas electromagnéticas (EM), inducción magnética (IM) y ultrasonido (US) en agua dulce y de mar. 

En la Sección 5 describimos el diseño y las métricas de evaluación de nuestro sistema TIP habilitado con capacidades de comunicación ultrasónica. 

El prototipo del sistema y los resultados experimentales se ilustran en la Sección 6 y la Sección 7, respectivamente

Conclusiones Seccion 8

Materiales usados

PCB implementando un nodo SEANet G

Los materiales piezoeléctricos se utilizan para extraer energía de fuentes de energía cinética. Este tipo de cosechadoras submarinas pueden alcanzar potencias que van desde el orden de milivatios hasta unos pocos vatios

Supercondensadores

El SEANet G1 en el prototipo descrito juega un papel crucial en la comunicación ultrasónica y la transferencia de datos en ambientes submarinos. Este sistema es una plataforma diseñada específicamente para el Internet de las Cosas Submarinas (IoUT), permitiendo que los nodos sensores puedan transmitir y recibir datos mientras son alimentados de manera inalámbrica por ondas ultrasónicas.

Usos

 aplicaciones militares, científicas y comerciales en el mar. 

 (i) vigilancia táctica/costera; (ii) sistemas de control y seguimiento de la industria del petróleo y el gas; (iii) monitoreo del cambio climático, control y seguimiento de la contaminación; y (iv) explotación comercial del medio acuático,

aplicaciones UWSN,

Aporte

a utiliza ondas ultrasónicas como medio para transportar energía a un módem submarino remoto, lo que permite una plataforma sin batería y alimentada de forma inalámbrica para IoUT. El uso de supercondensadores, que sustituyen a las baterías tradicionales o recargables, hace que el sistema sea más ligero, más fácil y más rápido de recargar. Todos los componentes del módem submarino se alimentan del mismo componente de almacenamiento de energía; por lo tanto, diseñamos específicamente una unidad de alimentación para superar los desafíos que surgen de interconectar la unidad de gestión de energía con la unidad de comunicación. 

Funcionamiento

El modelo arquitectónico de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica de ondas ultrasónicas y utilizarla para alimentar un sistema de comunicación ultrasónico.

Las turbinas y los rotores se utilizan principalmente para convertir la energía hidráulica (la energía del agua que cae o se mueve) en electricidad. 

Estructura

0. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G

Parametros

un nodo sensor submarino requiere alrededor de 30 W de potencia para funciones no relacionadas con la propulsión (comunicación, procesamiento y detección), además de los cuales se necesitan otros 15 a 110 W si el dispositivo incluye hélices u otros componentes mecánicos

, la energía del sistema se puede restaurar con aproximadamente 1 W de potencia a una distancia de 1 m en menos de 5 minutos. También llevamos a cabo un estudio sobre el enlace inalámbrico acústico submarino que demuestra que se pueden cubrir distancias más largas que las tecnologías más modernas. Diseñamos un sistema que utiliza un solo transductor tanto para carga como para comunicación, lo que ahorra espacio, peso y coste

El artículo informa sobre una viga compuesta piezoeléctrica que mide 95 mm × 35 mm × 0,8 mm.

Bibliografia

[1] R. Guida, E. Demirors, N. Dave, and T. Melodia, “Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer: A Battery-Less Platform for the Internet of Underwater Things,” IEEE Trans Mob Comput, vol. 21, no. 5, pp. 1861–1873, May 2022, doi: 10.1109/TMC.2020.3029679.

Revision: Resistive Matching using an AC Boost Converter for Efficient Ultrasonic Wireless Power Transfer

Se presenta un diseño que combina un receptor piezoeléctrico HSMS282X y un circuito de conversión de energía con un convertidor elevador, transformando el voltaje de CA en un voltaje de onda cuadrada modulada por ancho de pulso. El receptor piezoeléctrico de PZT4 tiene una eficiencia máxima de 74 \% en 1 mW .

 potencia eléctrica máxima disponible es de 8,71 mW. 

l inductor real tiene una inductancia de 100 µH, una frecuencia de autorresonancia típica de 13 MHz ( fsw), una resistencia CC máxima de 12,25 Ω y un volumen de 2,3 mm3 (Coilcraft XFL2006-104ME). Dos transistores NMOS, compuestos por 3 dispositivos paralelos de 500 nm × 20 µm, que funcionan como un interruptor bidireccional, están diseñados con una tecnología estándar de 500 n

El método de refuerzo de CA es el más eficiente para todo el rango de potencia; alrededor de Pload = 1 mW, la eficiencia es del 74 % y cae al 22 % para Pload = 0,01 mW. Para Pload = 2 mW, el método estándar también tiene una eficiencia del 74 %, pero para diferentes niveles de potencia, la eficiencia es mucho menor; para Pload = 0,1 mW, la eficiencia ya ha caído al 23 %. El método de frecuencia variable es tan eficiente como el método de refuerzo de CA desde Pload = 0,01 mW hasta Pload = 0,1 mW, pero para niveles de potencia más altos, la eficiencia es menor que la del método de refuerzo de CA.

Presenta un método para aumentar la conversión de potencia de los receptores ultrasónicos en dispositivos médicos implantables. 

LA WPT en los equipos medicos En los dispositivos médicos implantables (IMD)

PROPIEDADES MATERIALES DE UN ELEMENTO PZT4

DISEÑO DE AC BOOST: EMULACIÓN DE RESISTENCIA

Materiales

 El rectificador es un rectificador de RF Schottky (Avago HSMS282X)

Aporte

Para obtener la máxima transferencia de potencia, se requiere una adaptación conjugada compleja perfecta entre el receptor piezoeléctrico y el circuito de conversión de potencia. 

Funcionamiento

Un convertidor elevador delante del rectificador permite una adaptación resistiva casi perfecta. El convertidor elevador transforma el voltaje de CA en un voltaje de onda cuadrada modulado por ancho de pulso. Esto ahorra una transformación de impedancia adicional entre el receptor y el rectificador

Se requiere un rectificador entre el receptor piezoeléctrico y el elemento de almacenamiento, y

Estructura

Fig. 2. Diagrama de bloques general de transferencia de energía inalámbrica ultrasónica a un elemento de almacenamiento de energía.

Diagramas de bloques de los tres métodos basados en el diagrama de bloques general de la Fig. 2. Método estándar: sin transformaciones de impedancia extra. ZF 1.5 MRayls ZB 400 Rayls Fig. 2. Diagrama de bloques general de transferencia de energía inalámbrica ultrasónica a un elemento de almacenamiento de energía. en Método de variación de frecuencia: varía a través de la banda inductiva con bancos de capacitores sintonizables y un convertidor elevador de CC. Método de refuerzo de CA: con un convertidor de refuerzo de CA que funciona como emulación de resistencia.

Para obtener la máxima transferencia de potencia en la alimentación inalámbrica ultrasónica de IMD, 

 se necesitan dos transformaciones de impedancia, una en el lado del receptor del rectificador y otra en el lado de almacenamiento del rectificador. El método estándar sin transformaciones de impedancia agregadas es el menos eficiente, como se esperaba.

 El método de frecuencia variable con bancos de condensadores sintonizables, es más eficiente pero se requieren bancos de condensadores totalmente sintonizables, se necesita comunicación continua, que tiene un retraso y consume energía, y se producen pérdidas adicionales tanto en el tejido como en el receptor. .

El método de refuerzo de CA con un convertidor elevador en el lado de CA,  permite la adaptación de impedancia resistiva en un amplio rango de potencia de salida y tiene la mayor eficiencia energética. Solo requiere una transformación de impedancia, a saber, el convertidor elevador.

El método propuesto se puede mejorar aún más haciendo un diseño de CI completo de este concepto. El rectificador podría estar hecho de componentes activos y sincronizado con el interruptor elevador. El control también se podría mejorar implementando una estimación de energía para que el interruptor solo se cierre cuando el inductor tenga suficiente energía para superar el voltaje de encendido del rectificador y cargar el elemento de almacenamiento.

 El rectificador es un rectificador de RF Schottky (Avago HSMS282X). Suponemos un condensador como elemento de almacenamie

PArametros

 El receptor piezoeléctrico está fabricado de PZT4, tiene una frecuencia de resonancia de 987 kHz con una eficiencia de conversión de energía de 1,0, tiene un grosor de 1,5 mm y un ancho y largo de 1,1 mm. La potencia eléctrica máxima disponible es de 8,71 mW. 

l inductor real tiene una inductancia de 100 µH, una frecuencia de autorresonancia típica de 13 MHz ( fsw), una resistencia CC máxima de 12,25 Ω y un volumen de 2,3 mm3 (Coilcraft XFL2006-104ME). Dos transistores NMOS, compuestos por 3 dispositivos paralelos de 500 nm × 20 µm, que funcionan como un interruptor bidireccional, están diseñados con una tecnología estándar de 500 n

El método de refuerzo de CA es el más eficiente para todo el rango de potencia; alrededor de Pload = 1 mW, la eficiencia es del 74 % y cae al 22 % para Pload = 0,01 mW. Para Pload = 2 mW, el método estándar también tiene una eficiencia del 74 %, pero para diferentes niveles de potencia, la eficiencia es mucho menor; para Pload = 0,1 mW, la eficiencia ya ha caído al 23 %. El método de frecuencia variable es tan eficiente como el método de refuerzo de CA desde Pload = 0,01 mW hasta Pload = 0,1 mW, pero para niveles de potencia más altos, la eficiencia es menor que la del método de refuerzo de CA.

Bibliografia

[1] M. Bisschop and W. Serdijn, “Resistive Matching using an AC Boost Converter for Efficient Ultrasonic Wireless Power Transfer,” 2019 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC), pp. 620–623, 2019.

Revision: Experimental Verification and Design Guidelines for Efficient Ultrasonic Power Transfer Using Capacitive Parametric Ultrasonic Transducers

se implementa y utiliza un modelo CPUT que utiliza el método del elemento límite (BEM) para modelar conjuntos de membranas para estudiar los efectos del comportamiento multimodo en la transferencia de energía. Los resultados indican que las CPUT con geometrías de membrana micromecanizadas prácticas pueden proporcionar niveles de eficiencia adecuados para la transferencia remota de energía

primero se valida experimentalmente un modelo CPUT multidimensional que incorpora un modelo de matriz CMUT de señal grande luego se utiliza para estudiar cómo el comportamiento multimodo de las matrices de membranas afecta la transferencia de energía. Los resultados revelan si los modos de matriz de orden superior son beneficiosos para mejorar la eficiencia de transferencia de energía y contribuirán a las pautas para un diseño óptimo de CPUT

Diagrama de bloques de Simulink de CPUT con modelo de matriz BEM. Las entradas son la intensidad del forzado ultrasónico y, opcionalmente, una polarización de CC. La salida de interés es la potencia a través de la carga Rs. [1

parametros

Para validar el modelo BEM CPUT, se realizó un experimento de transferencia de energía utilizando una matriz de 36 x 10 de 70 x 70 µm. membranas para obtener datos de eficiencia versus resistencia de carga a una frecuencia de forzado de 2,4 MHz.

.Se diseñaron dos conjuntos de CPUT para alcanzar frecuencias operativas en el rango de 300 kHz-1,5 MHz a través de diferentes medios

El primer diseño es una matriz de 10 x 10 de membranas de 70 x 70 µm con una frecuencia de membrana única de 1,01 MHz. Cada membrana consta de una membrana de nitruro de silicio de 500 nm y un electrodo de plata de 400 nm, junto con una carga de masa de oro de 23 x 23 x 1 µm para aumentar el factor de calidad mecánica y forzar a las membranas a operar en su primer modo. Se utilizó el análisis de elementos finitos en COMSOL para iterar y optimizar el espesor del electrodo y el ancho de la carga de masa para lograr una frecuencia de membrana de 1 MHz. El segundo diseño es una matriz de 16 x 16 de membranas de 40 x 40 µm con una frecuencia de modo de matriz (a diferencia de una sola membrana) de alrededor de 1 MHz. Para ello, se determinó que la frecuencia de la membrana única debía estar cercana a los 3 MHz; por lo tanto, la dimensión de la membrana se redujo a 40 µm. El tamaño de la matriz se aumentó de modo que el área general permaneció aproximadamente igual a la matriz de 10 x 10; esto mantiene la impedancia de radiación general aproximadamente igual entre los dos diseños. 

GEOMETRÍAS DE MEMBRANA

Entre el diseño de baja y alta frecuencia, la eficiencia de transferencia de energía puede alcanzar hasta el 25%

Observando la CPUT de baja frecuencia, con una intensidad de entrada de 75 W/m2, 66,6 µW y 0,45 V CC, se aprovecha una carga de 3000 Ω con una eficiencia del 21,3 % a 300 kHz. En las mismas condiciones de entrada, el funcionamiento a 475 kHz sólo proporciona 8,2 µW (0,07 V CC) en una carga de 600 Ω con una eficiencia del 6,1 %

, la intensidad de entrada se puede aumentar más allá de 160 W/m2 en el modo de 300 kHz sin una disminución significativa de la eficiencia, mientras que en el modo de 475 kHz, la eficiencia comienza a disminuir una vez que la intensidad de entrada aumenta más allá de 70 W/m2

el segundo modo de matriz de la matriz CPUT de alta frecuencia proporciona una mejor operación de transferencia de energía. A 1,55 MHz, se pueden aprovechar 92,5 µW en una carga de 140 Ω (0,11 V CC) con una eficiencia del 22,4 %, mientras que el primer modo de matriz solo proporciona 22,0 µW en una carga de 160 Ω (0,06 V CC) con una eficiencia del 11,3 %

ventaja de las bobinas

 . Puede funcionar mejor a mayores profundidades de penetración, proporcionar más potencia total debido a límites de seguridad más altos en el tejido y tener factores de forma más pequeños que las bobinas de inducción

 Bibliografia

[1] C. Wei, S. Surappa, and F. L. Degertekin, “Experimental verification and design guidelines for efficient ultrasonic power transfer using capacitive parametric ultrasonic transducers,” in IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS, IEEE Computer Society, Sep. 2020. doi: 10.1109/IUS46767.2020.9251408.