用於工業物聯網的遠距無線電力傳輸技術 - 電子工程專輯

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，EE Times Europe編輯暨EEWeb主編

在工業物聯網(IIoT)的建設中，估計超過60%的成本都用在了佈線與安裝上。無線資料傳輸顯然可以消除一些線纜連接，而採用無線技術進行電力傳輸，無疑可避免更多的佈線。

TransferFi是一家新創公司，致力於為50公尺(約165英呎)之內的工業物聯網感測器網路開發新的無線充電解決方案。

無線技術大家都知道，但發射器的設計、發射器安裝的位置、如何使效率達到最好，以及整個系統性能的驗證都面臨極大挑戰，需要複雜的工程方案來解決。佈線的成本不可避免，這不僅阻礙了工業物聯網和工業4.0的發展，也為智慧電網和智慧城市的發展設置了障礙。大規模的感測器安裝需要佈線複雜的基礎設施，其成本高昂且安裝時間長。

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TransferFi開發的TFi Turin 1無線電力網(WPN)平台可以實現可靠的部署，無需經常更換電力電纜或電池。

TransferFi聯合創始人兼CEO Aashish Mehta表示：「我們的TFi WPN IIoT系統級架構是專為工業物聯網應用而設計的，這類應用需要能為多個目標供電的遠距離無線電力網。我們採用了更適合遠場/遠距離應用的射頻技術。Turin平台促進了物聯網應用的商業化，因為它使遠場無線電力網的部署和應用變得自動化。」

無線電力傳輸

無線電力傳輸(WPT)技術分為兩大類：近場和遠場，它們有各自的優缺點。

近場非輻射技術最適合短距離能量傳輸，它透過線圈之間的電感耦合或金屬電極之間的電容耦合所形成的磁場來傳輸能量，電感耦合是當今使用最廣泛的無線技術。

遠場輻射場技術也稱為功率波束(power beaming)，它透過電磁輻射(例如微波或雷射光束)傳輸電力。這類技術可以在較長的距離上傳輸能量，但必須有接收器，波束成形技術用於改善波束的聚焦。

利用專用射頻技術實現無線電力傳輸在物聯網應用中越來越受歡迎。波束成形可以說是WPT技術的「聖杯」，因為它可以在不增加發射功率的情況下將更高品質的訊號傳遞給接收器。為了獲得滿意的波束，發射器必須配備大量天線，以形成自我調整波束，同時控制波束能量聚焦的方向。

圖1：無線電力傳輸功能框架圖。

(來源：TransferFi)

TFi Turin 1

TransferFi創建了一個自動校準系統，可以根據接收器的位置和應用負載來對定位、分時和訊號進行最佳化。

TFi Turin 1平台由一個TFi閘道和帶有各種感測器的TFi感測單元組成。TFi閘道利用遠場射頻無線電力傳輸來供電，並與距離不超過50公尺的TFi感測元件進行資料通訊。

「我們開發了波束成形和訊號最佳化演算法，用來將波束聚焦在目標元件上。」Aashish說，「這些演算法對發送端和接收端都進行了最佳化，可應用於整個系統級架構。我們的專利主要包括：為實現更好的射頻到DC轉換及更精確的波束成形角所進行的最佳化；使用TFi一鍵式校準和分時軟體來縮短部署時間；透過16通道TFi閘道增強波束聚焦。」

波束成形過程是將無線訊號定向到特定接收元件而不是發散到其他方向。與其他技術相比，採用波束成形技術所產生的連接更直接、更快速也更可靠。近年來，由於5G的普及，波束成形技術也迅速發展。

其中一種實現技術是使用多個位置接近的天線，略微錯開時間發送相同的訊號。重疊的波在一些區域產生有益的干擾(使訊號變強)，而在另一些區域則產生有害的干擾(使訊號變弱或檢測不到)。如果正確操作，該波束成形過程可以將訊號定向到目標位置。

圖2：利用波束成形技術可提高效率。

(來源：TransferFi)

圖3：目前用於工業物聯網的TFi系統。

(來源：TransferFi)

聚焦波束遠比向各個方向發散波束要高效得多，這種技術還可以減少因攔截其他訊號而引起的干擾。當然它也有局限性，可能在執行複雜的運算任務來獲得最佳效率時消耗較多的運算資源，但硬體和軟體資源的不斷改進可以彌補這些不足。

Aashish表示：「總體而言，Turin平台的設計是跨硬體與應用，只要硬體類型合適，就可以使用。我們目前發佈的TFi WPN IIoT可用於狀態監測、智慧樓宇自動化和環境感應熱圖繪製(應用於伺服器機房和冷藏室)。我們的合作夥伴包括工業自動化、半導體、物流和汽車領域的跨國公司。」

工業4.0、智慧樓宇和智慧電網等未來的工業概念都需要大規模部署感測器，其基礎架構佈線複雜，需要較長時間才能完成部署，而且停機的代價高昂，會阻礙業務發展。在目前的有線感測器部署中，大部分時間都浪費在安裝與佈線上，其花費佔整個感測器部署預算的60%以上，TFi WPN平台提供的非侵入感測器部署降低了基礎設施佈線的複雜性

(參考原文：Long-Range Wireless Power Transfer for Industrial IoT，by Maurizio Di Paolo Emilio)

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