Utoaji wa Nguvu wa Mionzi ya Kurejesha Kukabiliana kwa Ajili ya Uhamisho wa Nguvu wa Kisasa bila Waya

1. Utangulizi

Mapinduzi ya Vitu Vilivyounganishwa kwenye Mtandao (IoT) yamezuiliwa kimsingi na uwezo wa nguvu wa kifaa. Kwa kuwa usindikaji wa vyombo vya habari katika vifaa vya rununu unazidisha matumizi ya nguvu, usumbufu wa kuchaji kwa kutumia waya unakuwa tatizo kubwa kwa mtumiaji. Uhamisho wa Nguvu bila Waya (WPT) unatokea kama suluhisho muhimu, lakini teknolojia zilizopo kama kuunganisha kwa njia ya sumaku na mwongozo wa sumaku zina mipaka ya umbali mfupi, huku njia za masafa ya redio na laser zikiweka hatari za usalama kwa nguvu ya kiwango cha Watt.

Utoaji wa Nguvu wa Mionzi ya Kurejesha (RBC), au Utoaji wa Nguvu wa Laser Uliosambazwa (DLC), unawasilisha mbadala unaotumainiwa kwa WPT salama, ya umbali mrefu (kiwango cha mita), yenye nguvu kubwa (kiwango cha Watt). Hata hivyo, muundo wake wa kitanzi wazi husababisha ufanisi duni kama kuchaji kupita kiasi kwa betri (kusababisha upotevu wa nguvu na hatari za usalama) na kuchaji duni (kuongeza muda wa kuchaji na kupunguza uwezo wa betri). Karatasi hii inatanguliza mfumo wa Utoaji wa Nguvu wa Mionzi ya Kurejesha Unaokabiliana (ARBC) ulioundwa kushinda mipaka hii kupitia udhibiti wa nguvu wenye akili, unaoendeshwa na maoni.

2. Mfumo wa Utoaji wa Nguvu wa Mionzi ya Kurejesha Unaokabiliana

ARBC inaboresha mfumo wa msingi wa RBC kwa kuanzisha mfumo wa udhibiti wa kitanzi kilichofungwa ambao hubadilisha nguvu iliyotumwa kulingana na mahitaji ya papo hapo ya mpokeaji.

2.1 Muundo wa Mfumo

Mfumo wa ARBC una mtumaji na mpokeaji. Mtumaji hutengeneza mionzi ya kurejesha. Mpokeaji, ameunganishwa na kifaa cha IoT, sio tu hukusanya nguvu bali pia hufuatilia hali ya betri (k.m., voltage, sasa, hali ya kuchaji). Habari hii inarudishwa kwa mtumaji kupitia njia maalum ya mawasiliano (labda kiungo cha RF chenye nguvu ndogo).

2.2 Utaratibu wa Udhibiti wa Maoni

Akili kuu ya ARBC iko katika kitanzi chake cha maoni. Mpokeaji hupima kila wakati "thamani bora za kuchaji" za betri—sasa na voltage bora kwa hatua fulani ya kuchaji (k.m., sasa thabiti, voltage thabiti). Thamani hizi zinawasilishwa kwa mtumaji, ambayo kisha hubadilisha nguvu ya pato la chanzo cha mionzi ya kurejesha ipasavyo. Mchakato huu unafanana na kukabiliana na kiungo katika mawasiliano bila waya, ambapo vigezo vya utumaji hubadilishwa kulingana na hali ya kituo.

2.3 Saketi ya Kubadilisha DC-DC

Kwa kuwa nguvu iliyopokelewa kutoka kwa mionzi inaweza isilingani moja kwa moja na pembejeo inayohitajika na betri, ARBC inajumuisha kigeuzi cha DC-DC kwenye mpokeaji. Saketi hii hubadilisha kwa ufanisi nishati ya umeme iliyokusanywa hadi viwango sahihi vya voltage na sasa vinavyohitajika kwa kuchaji bora kwa betri, na kuongeza zaidi ufanisi wa mfumo na afya ya betri.

3. Miundo ya Kichambuzi na Uhamisho wa Nguvu

Karatasi hii inatengeneza miundo ya kichambuzi kuelezea uhamisho wa nguvu katika mfumo wa ARBC, na kuwezesha udhibiti sahihi.

3.1 Uhusiano wa Uhamisho wa Nguvu Kutoka Mwanzo hadi Mwisho

Kwa kuiga fizikia ya utumaji wa nguvu ya RBC, waandishi wanapata uhusiano wa takriban wa mstari uliofungwa kati ya nguvu inayotolewa kwenye mtumaji ($P_{tx}$) na nguvu ya kuchaji inayopatikana kwenye mpokeaji ($P_{rx}^{chg}$). Uhusiano huu ni muhimu kwani unaruhusu mfumo kuweka ramani ya nguvu ya kuchaji ya betri inayotakikana kurudi kwenye nguvu ya pato inayohitajika ya mtumaji kwa ajili ya udhibiti wa maoni.

3.2 Uundaji wa Kihisabati

Uhusiano uliopatikana unaweza kuelezewa kwa dhana kama $P_{rx}^{chg} = \eta(d, \alpha) \cdot P_{tx}$, ambapo $\eta$ ni kipengele cha ufanisi ambacho ni kazi ya umbali wa utumaji $d$ na vigezo vingine vya mfumo $\alpha$ (kama usawa, ukubwa wa mianya). Kidhibiti cha maoni hutumia kinyume cha uhusiano huu: $P_{tx} = \frac{P_{rx}^{pref}}{\eta(d, \alpha)}$, ambapo $P_{rx}^{pref}$ ni nguvu bora ya kuchaji ya betri.

4. Tathmini ya Nambari na Matokeo

Utendaji wa ARBC umethibitishwa kupitia uigizaji wa nambari ukilinganishwa na RBC ya kawaida (isiyokabiliana).

Nishati ya Kuchaji Betri Iliyohifadhiwa

61%

ARBC dhidi ya RBC

Nishati Iliyotolewa Iliyohifadhiwa

53%-60%

ARBC dhidi ya RBC

4.1 Uchambuzi wa Kuhifadhi Nishati

Matokeo ni ya kushangaza: ARBC inafikia hadi akiba ya 61% katika nishati ya kuchaji betri na akiba ya 53%-60% katika nishati iliyotolewa kutoka kwenye mtandao ikilinganishwa na RBC. Hii inabadilishwa moja kwa moja kuwa gharama za uendeshaji zilizopunguzwa na athari ndogo ya kaboni kwa uwekaji wa IoT kwa kiwango kikubwa.

4.2 Ulinganisho wa Utendaji na RBC

Faida ya kuhifadhi nishati ya ARBC inaonekana wazi zaidi wakati kiungo cha WPT kina ufanisi duni (k.m., kwa umbali mrefu au kwa usawa usio kamili). Hii inasisitiza uthabiti wa mfumo na uwezo wake wa kuzuia upotevu wa nishati katika hali zisizo bora, hali ya kawaida ya ulimwengu halisi.

5. Ufahamu Muhimu na Uchambuzi

Ufahamu wa Msingi

ARBC sio tu uboreshaji wa nyongeza; ni mabadiliko ya dhana kutoka kwa kuchaji "kijinga" kwa utangazaji hadi utoaji wa nguvu "wenye akili" kwa mazungumzo. Waandishi wametambua kwa usahihi kwamba kikwazo kikubwa katika WPT ya umbali mrefu sio fizikia ya utumaji, bali akili ya kiwango cha mifumo ya kuisimamia kwa ufanisi. Hii inafanana na mageuzi katika mawasiliano bila waya kutoka kwa utangazaji wa nguvu thabiti hadi urekebishaji unaokabiliana na usimbaji.

Mtiririko wa Kimantiki

Mantiki ya karatasi hii ni sahihi: 1) Tambua kasoro ya kifo ya RBC (upotevu wa kitanzi wazi), 2) Pendekeza muundo wa maoni wa kitanzi kilichofungwa kama tiba, 3) Pata sheria ya udhibiti kupitia uundaji wa hisabati, na 4) Pima faida. Mlinganisho na kukabiliana na kiungo sio tu ushairi—hutoa mfumo wa muundo uliokomaa kutoka kwenye uwanja wa jirani.

Nguvu na Kasoro

Nguvu: Akiba za nishati zilizopimwa (60%+) zinavutia na zinashughulikia moja kwa moja uwezekano wa kiuchumi. Kujumuisha kigeuzi cha DC-DC ni kugusa kivitendo ambacho mara nyingi hupuuzwa katika karatasi za kinadharia za WPT. Hoja ya usalama (kukatwa mara moja kwa kizuizi) ni faida kubwa ya udhibiti na soko.
Kasoro: Karatasi hii inapita juu ya gharama ya utekelezaji na utata wa kituo cha maoni. Kuongeza kiungo cha RF cha pande mbili kwa udhibiti kunazidisha gharama ya mpokeaji, mzigo wa nguvu, na uwezekano wa kuingiliwa. Uchambuzi unadhani ujuzi kamili wa "thamani bora za kuchaji," ambazo kwa vitendo zinahitaji algoriti za kisasa za usimamizi wa betri. Kazi hiyo, kama ilivyowasilishwa katika dondoo, pia haina uthibitisho wa vifaa vya ulimwengu halisi, ikibaki katika uwanja wa uigizaji.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Kwa wasimamizi wa bidhaa: Kipaumbele kukuza itifaki ya maoni yenye mzigo mdogo, thabiti—ndio kiini. Kwa watafiti: Chunguza masomo ya mashine kutabiri ufanisi wa kituo $\eta$ na mahitaji ya betri, kusonga kutoka kwa udhibiti wa kukabiliana hadi wa kutabiri. Kwa vyombo vya kawaida: Anza kufafanua itifaki za mawasiliano kwa maoni ya WPT ili kuhakikisha ushirikiano, sawa na kiwango cha mawasiliano cha Qi lakini kwa umbali mrefu. Uwanja wa vita wa baadaye hautakuwa ni nani anaye mionzi yenye nguvu zaidi, bali ni nani anaye kitanzi cha udhibiti chenye akili zaidi.

6. Maelezo ya Kiufundi na Miundo ya Kihisabati

Kiini cha kichambuzi cha ARBC kinategemea kuiga tundu la mionzi ya kurejesha. Nguvu iliyotolewa na mpokeaji ($P_{rx}$) inatokana na milinganyo ya kiwango cha laser, ikizingatia mambo kama kati ya faida, uakisi wa kioo cha kurudisha mwanga, na hasara ndani ya tundu. Ulinganisho rahisi, uliolainishwa kwa madhumuni ya udhibiti umewasilishwa:

$P_{rx} = \frac{T_s T_r G_0 I_{pump}}{\delta_{total} - \sqrt{R_s R_r} G_0} - P_{threshold}$

Ambapo $T_s, T_r$ ni viwango vya kuunganisha vya mtumaji/mpokeaji, $G_0$ ni faida ndogo ya ishara, $I_{pump}$ ni nguvu ya pampu (kigezo cha udhibiti), $R_s, R_r$ ni viakisi, na $\delta_{total}$ ni hasara ya jumla ya safari ya pande zote. $P_{threshold}$ ni nguvu ya kizingiti cha laser. Kidhibiti cha maoni hubadilisha $I_{pump}$ ili kufanya $P_{rx}$, baada ya ubadilishaji wa DC-DC, iwe sawa na $P_{rx}^{pref}$.

7. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Wakati dondoo la PDF lililotolewa linataja tathmini ya nambari, matokeo ya kawaida katika kazi kama hii yangewasilishwa kupitia chati kadhaa muhimu:

Chati 1: Ulinganisho wa Wasifu wa Kuchaji. Chati ya mstari inayoonyesha Hali ya Kuchaji (SoC) ya betri dhidi ya Muda kwa ARBC na RBC. Mkunjo wa ARBC ungeonyesha kupanda kwa kasi, laini hadi 100% SoC, huku mkunjo wa RBC ukionyesha usawa usio na ufanisi wakati wa hatua ya voltage thabiti au kuonyesha hatua kutokana na viwango tofauti vya nguvu.
Chati 2: Ufanisi wa Nishati dhidi ya Umbali. Grafu inayolinganisha ufanisi wa jumla wa mfumo (Mtandao hadi Betri) wa ARBC na RBC kwa umbali tofauti. Mstari wa ARBC ungeonyesha ufanisi bora na thabiti zaidi, hasa ukiharibika kwa utulivu zaidi kwa masafa marefu.
Chati 3: Mienendo ya Nguvu Iliyotumwa. Grafu ya mfululizo wa wakati inayoonyesha jinsi nguvu ya mtumaji wa ARBC $P_{tx}$ inavyobadilika kwa kukabiliana na hatua ya kuchaji ya betri (CC, CV, tone), ikilinganishwa na nguvu thabiti au iliyobadilishwa kwa hatua ya RBC.

Uonyeshaji huu wa kuona ungeonyesha kwa uwazi faida za ARBC katika kasi, ufanisi, na tabia ya kukabiliana.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi Usio na Msimbo

Fikiria kiwanda cha kisasa chenye roboti 100 za ukaguzi zinazojitegemea. Kila roboti ina wasifu tofauti wa misheni, na kusababisha viwango tofauti vya kutokwa kwa betri.

Hali na RBC (Isiyokabiliana): Kituo cha kati cha kuchaji kinatoa mionzi ya nguvu thabiti. Roboti zinazoingia kwenye eneo la kuchaji zinapokea nguvu sawa kubwa bila kujali hali ya betri zao. Roboti iliyojaa karibu huchajiwa kupita kiasi, na kupoteza nishati na kutoa joto. Roboti iliyotokwa kwa kina huchaji polepole kwa sababu nguvu thabiti haijaongezwa kwa hali yake ya voltage ya chini. Ufanisi wa jumla wa mfumo ni wa chini.

Hali na ARBC (Inayokabiliana): Roboti inapoingia kwenye eneo hilo, mpokeaji wake unawasilisha SoC ya betri yake na sasa bora ya kuchaji kwa mtumaji. Kituo cha ARBC kinahesabu nguvu kamili ya mionzi inayohitajika. Roboti iliyojaa karibu hupokea malipo ya tone, na kuhifadhi nishati. Roboti iliyotokwa hupokea malipo ya sasa kubwa yaliyoboreshwa kwa ajili ya kurejesha haraka. Mfumo hupunguza upotevu, hupunguza mkazo wa joto kwenye betri, na huongeza uwezekano wa kutumikia kikosi. Uchunguzi huu wa kesi unaonyesha faida za mageuzi ya ufanisi wa kiwango cha mfumo wa udhibiti unaokabiliana.

9. Matarajio ya Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Teknolojia ya ARBC ina ramani ya maendeleo inayozidi kuchaji simu janja:

IoT ya Viwanda & Roboti: Nguvu ya kudumu kwa sensorer za rununu, drone, na AGV katika maghala na viwanda, na kuondoa muda wa kusimama kwa ajili ya kuchaji.
Vipandikizi vya Matibabu: Kuchaji salama, kwa mbali kwa vipandikizi vya ndani ya mwili (k.m., vifaa vya usaidizi vya moyo, vichocheo neva) bila waya za ngozi, na kuboresha kwa kiasi kikubwa ubora wa maisha ya mgonjwa. Utaratibu wa usalama kama kukatwa mara moja kwa mionzi ni muhimu hapa.
Majengo ya Kisasa: Kuwapa nguvu sensorer za udhibiti wa hali ya hewa, usalama, na taa katika maeneo ambapo uwekaji wa waya haufai au ni ghali (k.m., dari za juu, kuta za kioo).
Mageuzi ya Vifaa vya Umeme vya Watumiaji: Nyumba na ofisi zisizo na waya ambapo TV, spika, na kompyuta kibao zinawashwa kwa urahisi kutoka kwenye dari.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

MIMO ya Watumiaji Wengi kwa WPT: Kupanua dhana hii kuchaji kwa wakati mmoja na kwa ufanisi vifaa vingi katika maeneo tofauti na safu moja ya mtumaji, kwa kutumia mbinu za kuunda mionzi zilizochochewa na mawasiliano bila waya (k.m., kama ilivyochunguzwa katika utafiti wa Massive MIMO).
Ujumuishaji na Uvunaji wa Nishati: Kuunda wapokeaji mseto ambao huchanganya ARBC na uvunaji wa nishati ya mazingira (jua, RF) kwa uendeshaji wa kuaminika sana.
Kuchaji Kwa Kutabiri Kinaendeshwa na AI: Kutumia masomo ya mashine kutabiri harakati za kifaa na mahitaji ya nishati, kupanga na kugawa mapema mionzi ya nguvu kwa njia ya kutabiri.
Kuweka Viwango na Usalama: Kukuza itifaki salama za mawasiliano kwa kituo cha maoni ili kuzuia usikizi wa siri au mashambulizi ya kuingiza nguvu, wasiwasi ulioangaziwa na utafiti wa usalama wa mtandao katika IoT.

10. Marejeo

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. (Kwa muktadha wa changamoto za WPT).
Wi-Charge. (2023). The Future of Wireless Power. Retrieved from https://www.wi-charge.com/technology. (Kwa hali ya kisasa ya kibiashara katika WPT ya macho ya umbali mrefu).
L. R. Varshney, "Transporting Information and Energy Simultaneously," in IEEE International Symposium on Information Theory, 2008. (Kazi muhimu juu ya usawazishaji wa habari na nishati).
Zhu, J., Banerjee, P., & Ricketts, D. S. (2020). "Towards Safe and Efficient Laser Wireless Power Transfer: A Review." IEEE Journal of Microwaves. (Kwa uchambuzi wa usalama na ufanisi wa WPT inayotegemea laser).
3GPP Technical Specifications for LTE & 5G NR. (Kwa kanuni za kukabiliana na kiungo na udhibiti wa maoni katika mawasiliano, ambazo zilichochea muundo wa ARBC).
Battery University. (2023). Charging Lithium-Ion Batteries. Retrieved from https://batteryuniversity.com/. (Kwa maelezo juu ya algoriti bora za kuchaji (CC-CV) zilizotajwa katika karatasi).