1. مقدمه
انقلاب اینترنت اشیا اساساً توسط استقامت توان دستگاهها محدود شده است. با افزایش مصرف انرژی در پردازش چندرسانهای دستگاههای همراه، ناراحتی ناشی از شارژ سیمی به یک نقطه دردناک مهم برای کاربر تبدیل شده است. انتقال توان بیسیم به عنوان یک راهحل حیاتی ظهور میکند، اما فناوریهای موجود مانند کوپلینگ القایی و تشدید مغناطیسی به فواصل کوتاه محدود هستند، در حالی که روشهای فرکانس رادیویی و لیزر در سطح توان وات خطرات ایمنی ایجاد میکنند.
شارژ پرتو تشدیدی (RBC) یا شارژ لیزر توزیعشده (DLC)، جایگزین امیدوارکنندهای برای انتقال توان بیسیم ایمن، برد بلند (در سطح متر) و توان بالا (در سطح وات) ارائه میدهد. با این حال، معماری حلقه باز آن منجر به ناکارآمدیهایی مانند شارژ بیش از حد باتری (که باعث اتلاف انرژی و خطرات ایمنی میشود) و شارژ ناکافی (که زمان شارژ را طولانی و ظرفیت باتری را کاهش میدهد) میشود. این مقاله یک سیستم شارژ پرتو تشدیدی تطبیقی (ARBC) را معرفی میکند که برای غلبه بر این محدودیتها از طریق کنترل توان هوشمند و مبتنی بر بازخورد طراحی شده است.
2. سیستم شارژ پرتو تشدیدی تطبیقی
ARBC چارچوب پایه RBC را با معرفی یک سیستم کنترل حلقه بسته که توان ارسالی را بر اساس نیازهای لحظهای گیرنده به صورت پویا تنظیم میکند، ارتقا میدهد.
2.1 معماری سیستم
سیستم ARBC از یک فرستنده و یک گیرنده تشکیل شده است. فرستنده پرتو تشدیدی را تولید میکند. گیرنده که به دستگاه اینترنت اشیا متصل است، نه تنها توان را برداشت میکند، بلکه وضعیت باتری (مانند ولتاژ، جریان، وضعیت شارژ) را نیز نظارت میکند. این اطلاعات از طریق یک کانال ارتباطی اختصاصی (احتمالاً یک پیوند RF کمتوان) به فرستنده بازخورد داده میشود.
2.2 مکانیزم کنترل بازخوردی
هوشمندی اصلی ARBC در حلقه بازخورد آن نهفته است. گیرنده به طور مداوم «مقادیر ترجیحی شارژ» باتری — یعنی جریان و ولتاژ بهینه برای یک مرحله شارژ مشخص (مانند جریان ثابت، ولتاژ ثابت) — را اندازهگیری میکند. این مقادیر به فرستنده مخابره میشوند که سپس توان خروجی منبع پرتو تشدیدی را بر این اساس تعدیل میکند. این فرآیند مشابه تطبیق پیوند در ارتباطات بیسیم است، جایی که پارامترهای انتقال بر اساس شرایط کانال تنظیم میشوند.
2.3 مدار مبدل DC-DC
از آنجایی که توان دریافتی از پرتو ممکن است مستقیماً با ورودی مورد نیاز باتری مطابقت نداشته باشد، ARBC یک مبدل DC-DC را در گیرنده ادغام میکند. این مدار انرژی الکتریکی برداشتشده را به سطوح دقیق ولتاژ و جریان مورد نیاز برای شارژ بهینه باتری تبدیل میکند و در نتیجه کارایی سیستم و سلامت باتری را بیشتر افزایش میدهد.
3. مدلهای تحلیلی و انتقال توان
این مقاله مدلهای تحلیلی را برای توصیف انتقال توان در سیستم ARBC توسعه میدهد که امکان کنترل دقیق را فراهم میکند.
3.1 رابطه انتقال توان سرتاسری
با مدلسازی فیزیک انتقال توان RBC، نویسندگان یک رابطه خطی تقریبی بسته بین توان تأمینشده در فرستنده ($P_{tx}$) و توان شارژ در دسترس در گیرنده ($P_{rx}^{chg}$) را استخراج میکنند. این رابطه حیاتی است زیرا به سیستم اجازه میدهد توان شارژ مطلوب باتری را به توان خروجی مورد نیاز فرستنده برای کنترل بازخوردی نگاشت کند.
3.2 فرمولبندی ریاضی
رابطه استخراجشده را میتوان مفهومی به صورت $P_{rx}^{chg} = \eta(d, \alpha) \cdot P_{tx}$ بیان کرد، که در آن $\eta$ یک ضریب بازدهی است که تابعی از فاصله انتقال $d$ و سایر پارامترهای سیستم $\alpha$ (مانند تراز، اندازه دهانه) است. کنترلکننده بازخورد از معکوس این رابطه استفاده میکند: $P_{tx} = \frac{P_{rx}^{pref}}{\eta(d, \alpha)}$، که در آن $P_{rx}^{pref}$ توان شارژ ترجیحی باتری است.
4. ارزیابی عددی و نتایج
عملکرد ARBC از طریق شبیهسازیهای عددی و مقایسه آن با RBC استاندارد (غیرتطبیقی) اعتبارسنجی شده است.
انرژی صرفهجوییشده در شارژ باتری
۶۱٪
ARBC در مقابل RBC
انرژی تأمینشده صرفهجوییشده
۶۰٪-۵۳٪
ARBC در مقابل RBC
4.1 تحلیل صرفهجویی انرژی
نتایج چشمگیر است: ARBC در مقایسه با RBC تا ۶۱٪ صرفهجویی در انرژی شارژ باتری و ۶۰٪-۵۳٪ صرفهجویی در انرژی تأمینشده از شبکه را به دست میآورد. این مستقیماً به معنای کاهش هزینههای عملیاتی و ردپای کربن کوچکتر برای استقرارهای گسترده اینترنت اشیا است.
4.2 مقایسه عملکرد با RBC
سود صرفهجویی انرژی ARBC به ویژه زمانی که پیوند انتقال توان بیسیم ناکارآمد است (مثلاً در فواصل طولانیتر یا با تراز جزئی) مشهود است. این امر، استحکام سیستم و توانایی آن در جلوگیری از اتلاف انرژی در شرایط زیربهینه — که یک سناریوی رایج در دنیای واقعی است — را برجسته میکند.
5. بینشهای کلیدی و تحلیل
بینش اصلی
ARBC فقط یک بهبود تدریجی نیست؛ بلکه یک تغییر پارادایم از شارژ «کمهوش» پخششده به تحویل توان «هوشمند» مذاکرهشده است. نویسندگان به درستی شناسایی کردهاند که بزرگترین گلوگاه در انتقال توان بیسیم برد بلند، فیزیک انتقال نیست، بلکه هوشمندی در سطح سیستم برای مدیریت کارآمد آن است. این امر، تکامل در ارتباطات بیسیم از پخش با توان ثابت به مدولاسیون و کدینگ تطبیقی را بازتاب میدهد.
جریان منطقی
منطق مقاله مستحکم است: ۱) شناسایی نقص مهلک RBC (اتلاف حلقه باز)، ۲) پیشنهاد یک معماری بازخوردی حلقه بسته به عنوان درمان، ۳) استخراج قانون کنترل از طریق مدلسازی ریاضی، و ۴) کمّیسازی مزایا. تشبیه به تطبیق پیوند فقط شاعرانه نیست — بلکه یک چارچوب طراحی بالغ از یک حوزه همسایه ارائه میدهد.
نقاط قوت و ضعف
نقاط قوت: مقادیر کمّی صرفهجویی انرژی (بیش از ۶۰٪+) قانعکننده است و مستقیماً به قابلیت حیات اقتصادی میپردازد. ادغام یک مبدل DC-DC یک نکته عملی است که اغلب در مقالات نظری انتقال توان بیسیم نادیده گرفته میشود. استدلال ایمنی (قطع فوری پرتو در صورت وجود مانع) یک مزیت عمده نظارتی و بازار است.
نقاط ضعف: مقاله از هزینه و پیچیدگی پیادهسازی کانال بازخوردی چشمپوشی میکند. افزودن یک پیوند RF دوطرفه برای کنترل، هزینه گیرنده، سربار توان و احتمال تداخل را افزایش میدهد. تحلیل، دانش کامل از «مقادیر ترجیحی شارژ» را فرض میکند که در عمل نیازمند الگوریتمهای پیچیده مدیریت باتری است. این کار، همانطور که در گزیده ارائه شده، همچنین فاقد اعتبارسنجی سختافزاری در دنیای واقعی است و در حوزه شبیهسازی باقی میماند.
بینشهای قابل اجرا
برای مدیران محصول: اولویتدهی به توسعه پروتکل بازخوردی کمسربار و مستحکم — این محور اصلی است. برای پژوهشگران: کاوش در یادگیری ماشین برای پیشبینی بازدهی کانال $\eta$ و نیازهای باتری، حرکت از کنترل واکنشی به کنشگرا. برای نهادهای استانداردسازی: شروع به تعریف پروتکلهای ارتباطی برای بازخورد انتقال توان بیسیم برای تضمین قابلیت همکاری، مشابه استاندارد ارتباطی Qi اما برای برد بلند. میدان نبرد آینده نه این خواهد بود که چه کسی قویترین پرتو را دارد، بلکه چه کسی هوشمندترین حلقه کنترل را دارد.
6. جزئیات فنی و مدلهای ریاضی
هسته تحلیلی ARBC بر مدلسازی حفره پرتو تشدیدی متکی است. توان استخراجشده توسط گیرنده ($P_{rx}$) از معادلات نرخ لیزر، با در نظر گرفتن عواملی مانند محیط بهره، بازتابندگی بازتابنده رترو و تلفات درون حفره، استخراج میشود. یک تقریب خطیشده سادهشده برای اهداف کنترل ارائه شده است:
$P_{rx} = \frac{T_s T_r G_0 I_{pump}}{\delta_{total} - \sqrt{R_s R_r} G_0} - P_{threshold}$
که در آن $T_s, T_r$ ضرایب کوپلینگ فرستنده/گیرنده، $G_0$ بهره سیگنال کوچک، $I_{pump}$ توان پمپ (متغیر کنترل)، $R_s, R_r$ بازتابندگیها و $\delta_{total}$ تلفات کل رفت و برگشت هستند. $P_{threshold}$ توان آستانه لیزر است. کنترلکننده بازخورد $I_{pump}$ را تنظیم میکند تا $P_{rx}$، پس از تبدیل DC-DC، برابر با $P_{rx}^{pref}$ شود.
7. نتایج آزمایشی و توصیف نمودارها
در حالی که گزیده PDF ارائهشده به ارزیابی عددی اشاره میکند، نتایج معمول در چنین کاری از طریق چند نمودار کلیدی ارائه میشود:
- نمودار ۱: مقایسه پروفایل شارژ. یک نمودار خطی که وضعیت شارژ (SoC) باتری در مقابل زمان را برای ARBC و RBC نشان میدهد. منحنی ARBC یک افزایش سریعتر و هموارتر به ۱۰۰٪ SoC را نشان میدهد، در حالی که منحنی RBC در مرحله ولتاژ ثابت به طور ناکارآمدی به حالت فلات میرسد یا به دلیل سطوح توان گسسته، پلههایی را نشان میدهد.
- نمودار ۲: بازده انرژی در مقابل فاصله. یک نمودار که بازده کل سیستم (از شبکه به باتری) ARBC و RBC را در فواصل مختلف مقایسه میکند. خط ARBC بازدهی برتر و پایدارتری را نشان میدهد، به ویژه در بردهای طولانیتر با شیب ملایمتری کاهش مییابد.
- نمودار ۳: دینامیک توان ارسالی. یک نمودار سری زمانی که نشان میدهد توان فرستنده ARBC ($P_{tx}$) چگونه به صورت پویا در پاسخ به مرحله شارژ باتری (CC, CV, تریکل) تغییر میکند، در مقابل با توان ثابت یا تغییر پلهای RBC.
این تصاویر به طور ملموس مزایای ARBC در سرعت، بازدهی و رفتار تطبیقی را نشان میدهند.
8. چارچوب تحلیل: یک مطالعه موردی بدون کد
یک کارخانه هوشمند با ۱۰۰ ربات بازرسی مستقل را در نظر بگیرید. هر ربات یک پروفایل مأموریت متفاوت دارد که منجر به نرخهای تخلیه باتری متفاوت میشود.
سناریو با RBC (غیرتطبیقی): یک ایستگاه شارژ مرکزی یک پرتو با توان ثابت منتشر میکند. رباتهایی که وارد منطقه شارژ میشوند بدون توجه به وضعیت باتری خود، همان توان بالا را دریافت میکنند. یک ربات تقریباً پر، شارژ بیش از حد میشود و انرژی را هدر داده و گرما تولید میکند. یک ربات با تخلیه عمیق، به آرامی شارژ میشود زیرا توان ثابت برای حالت ولتاژ پایین آن بهینهسازی نشده است. بازده کلی سیستم پایین است.
سناریو با ARBC (تطبیقی): هنگامی که یک ربات وارد منطقه میشود، گیرنده آن SoC باتری و جریان شارژ ترجیحی را به فرستنده مخابره میکند. ایستگاه ARBC توان پرتو دقیق مورد نیاز را محاسبه میکند. ربات تقریباً پر، یک شارژ تریکل دریافت میکند و انرژی صرفهجویی میشود. ربات تخلیهشده، یک شارژ جریان بالا متناسب برای بازیابی سریع دریافت میکند. سیستم اتلاف را به حداقل میرساند، تنش گرمایی روی باتریها را کاهش میدهد و در دسترس بودن ناوگان را به حداکثر میرساند. این مطالعه موردی، سودهای کارایی تحولآفرین در سطح سیستم کنترل تطبیقی را نشان میدهد.
9. چشمانداز کاربرد و جهتهای آینده
فناوری ARBC یک نقشه راه دارد که فراتر از شارژ تلفنهای هوشمند گسترش مییابد:
- اینترنت اشیای صنعتی و رباتیک: توان دائمی برای حسگرهای متحرک، پهپادها و وسایل نقلیه هدایتشده خودکار در انبارها و کارخانهها، حذف زمان توقف برای شارژ.
- ایمپلنتهای پزشکی: شارژ ایمن و از راه دور برای ایمپلنتهای عمقی بدن (مانند دستگاههای کمک بطنی، نورواستیمولاتورها) بدون سیمهای پوستگذر، که به طور چشمگیری کیفیت زندگی بیمار را بهبود میبخشد. مکانیزمهای ایمنی مانند قطع فوری پرتو در اینجا حیاتی هستند.
- ساختمانهای هوشمند: تأمین انرژی حسگرها برای کنترل آب و هوا، امنیت و روشنایی در مکانهایی که سیمکشی غیرعملی یا گران است (مانند سقفهای بلند، دیوارهای شیشهای).
- تکامل الکترونیک مصرفی: خانهها و دفاتر کاری کاملاً بدون سیم که در آن تلویزیونها، بلندگوها و لپتاپها به طور یکپارچه از سقف تغذیه میشوند.
جهتهای پژوهش آینده:
- MIMO چندکاربره برای انتقال توان بیسیم: گسترش مفهوم برای شارژ همزمان و کارآمد چندین دستگاه در مکانهای مختلف با یک آرایه فرستنده واحد، با استفاده از تکنیکهای شکلدهی پرتو الهامگرفته از ارتباطات بیسیم (مانند آنچه در پژوهشهای مربوط به Massive MIMO کاوش شده است).
- ادغام با برداشت انرژی: ایجاد گیرندههای ترکیبی که ARBC را با برداشت انرژی محیطی (خورشیدی، RF) برای عملیات فوققابل اطمینان ترکیب میکنند.
- شارژ پیشبینانه مبتنی بر هوش مصنوعی: استفاده از یادگیری ماشین برای پیشبینی حرکت دستگاه و نیازهای انرژی، زمانبندی و تخصیص پیشکننده پرتوهای توان.
- استانداردسازی و امنیت: توسعه پروتکلهای ارتباطی امن برای کانال بازخورد برای جلوگیری از استراق سمع یا حملات تزریق توان، که نگرانی است که توسط پژوهشهای امنیت سایبری در اینترنت اشیا برجسته شده است.
10. مراجع
- Zhang, Q., Fang, W., Xiong, M., Liu, Q., Wu, J., & Xia, P. (2017). Adaptive Resonant Beam Charging for Intelligent Wireless Power Transfer. (Manuscript presented at VTC2017-Fall).
- M. K. O. Farinazzo et al., "Review of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles," in IEEE Access, 2022. (برای زمینه چالشهای انتقال توان بیسیم).
- Wi-Charge. (2023). The Future of Wireless Power. Retrieved from https://www.wi-charge.com/technology. (برای وضعیت تجاری پیشرفته در انتقال توان بیسیم نوری برد بلند).
- L. R. Varshney, "Transporting Information and Energy Simultaneously," in IEEE International Symposium on Information Theory, 2008. (کار بنیادی در مورد مبادله اطلاعات-انرژی).
- Zhu, J., Banerjee, P., & Ricketts, D. S. (2020). "Towards Safe and Efficient Laser Wireless Power Transfer: A Review." IEEE Journal of Microwaves. (برای تحلیل ایمنی و بازدهی انتقال توان بیسیم مبتنی بر لیزر).
- 3GPP Technical Specifications for LTE & 5G NR. (برای اصول تطبیق پیوند و کنترل بازخوردی در ارتباطات، که طراحی ARBC را الهام بخشیده است).
- Battery University. (2023). Charging Lithium-Ion Batteries. Retrieved from https://batteryuniversity.com/. (برای جزئیات الگوریتمهای شارژ ترجیحی (CC-CV) که در مقاله به آن اشاره شده است).