Startup向物联网输送能量

美国哥伦布市尼古拉实验室总工程师罗兰·塔洛斯

无线供电设备似乎是一个新想法，但它的起源可以追溯到1899年，当时尼古拉·特斯拉在科罗拉多斯普林斯建造并展示了特斯拉实验站。他的高电压、高频率实验过于戏剧性地证明了无线能源的概念:人造闪电产生数百万伏特的电压，并在附近行人的脚和地面之间产生火花。

如今，研究和工程团队正在开发更低功耗的系统，为智能手机和工业物联网(IIoT)传感器等设备无线充电。俄亥俄州哥伦布市的尼古拉实验室正在研究这一挑战的工业方面。参加Ansys启动程序该公司于2015年在俄亥俄州立大学成立，旨在将陈志琦教授的想法商业化，该想法涉及通过天线之间传输的射频(RF)电磁波来传输能量。该公司目前拥有约30名员工，致力于为远程机器状态监测提供端到端解决方案。使用由温度传感器和加速度计组成的超低功耗接收器测量机器健康状况。目前，这种接收器仅靠一次电池充电就能在野外工作很长时间，但尼古拉实验室正在开发的无线供电技术最终将使它们受益。

但是，像许多初创公司一样，他们必须为许多不同的潜在客户设计和演示原型，然后才能找到振动传感器技术。他们还在寻找其他垂直领域的机会，比如智能建筑，以扩大业务。一路走来，有一件事一直不变:Ansys基于。

无线电力探索项目

早些时候，一家公司与尼古拉实验室(Nikola Labs)接洽，希望利用无线电源取代电池辅助无源(BAP)近场通信(NFC)标签中的电池，以提高其读写范围。他们不想使用需要维护的电池，而是想使用来自2.4 GHz发射机源(NFC读取器的一部分)的能量来提供增加读/写范围所需的功率。该公司已经在瓶盖上安装了天线，并希望尼古拉在天线周围的小空间内提供无线电源解决方案。这包括设计一个“共形”天线，该天线将适合(符合)现有的13.56 MHz NFC天线和配套的NFC集成电路(IC)，所有直径约为1英寸。尼古拉的天线设计获得2.4 GHz射频功率，以提供他们的能量收集系统级封装(SiP)。然后SiP将射频功率转换为NFC IC的直流功率，增加读写范围而不使用电池。

尼古拉实验室的工程师首先使用HFSS对NFC天线周围的基本天线几何形状进行建模，首先将所有东西保持平面，以最大限度地减少初始仿真时间。为了适应可用的小直径，他们决定使用弯曲偶极子天线，其形状来回“弯曲”以将长天线长度放入小空间。他们利用HFSS的参数扫描特性，研究了一些变量，以了解变量的不同值如何影响设计。尼古拉的工程师们能够证明，NFC天线周围的水平偶极子，作为一个接地面，可以收集足够的能量，使这个解决方案可行。然后，他们开始在模拟中添加更多细节，从电路板上的铜迹厚度一直到装满液体的整个瓶子。他们最终建立了一个原型，并证明了它的工作，但由于各种原因，客户决定走另一个方向。

另一家公司希望使用无线充电技术为办公场所的温度和湿度传感器供电。目标是更高效的供暖、通风和空调(HVAC)系统。他们还希望安装太阳能电池，以吸收办公室灯光的部分能量，从而捕获一部分通常被浪费掉的电力。该设备必须很小，以便集成到小隔间墙壁的顶部或办公桌的顶部，电源在天花板上。尼古拉实验室意识到，他们需要一个分束天线模式，用硬件来严格控制两束的角度，但似乎没有足够的空间。因此，他们使用HFSS来找出如何配置天线系统的大小，形状和材料，以引导波束以正确的角度。这涉及到使用参数扫描改变衬底和介电材料的尺寸和类型。再一次，原型机取得了成功，但项目没有继续发展下去——这是初创公司寻找利基市场时发生的一系列典型事件。

最终的正确项目

2017年，尼古拉实验室(Nikola Labs)接洽设计一种由接收器和加速度计组成的传感器，通过振动分析来监测机器的状态。加速度计数据可以转换为振动数据，专家可以查看这些数据以了解机器的状况，例如电机外壳或轴承外壳，工业环境中的典型磨损点。现有这种类型的传感器电池寿命短，需要不断维护更换电池。尼古拉的工程师们正在用两种方法解决电池寿命问题。首先，他们专注于设计超低功耗的接收器，延长一次电池充电的系统寿命。然后，他们使用HFSS专注于射频方面，设计用于收集射频功率的天线。收集的射频功率然后被馈送到他们的能量收集系统中，该系统由一个RF-to-DC整流电路和一个DC电源管理电路组成，在一个很小的封装中。在传输方面，他们模拟了不同的发射器将能量发送到接收器。通过这种方式，尼古拉的工程师们正在努力将传感器与他们的无线电源技术结合起来，将数据传输到传感器并无线供电，将传感器的使用寿命延长到10年左右。

其中一个正在开发的系统有一个集线器，它是一个路由器，从传感器收集数据并向它们传输无线电源。传感器安装在被监控的工业设备上。目前的无线技术平均只能收集100微瓦的能量，因此这必须足以为系统供电。现在的问题是，在采集到少量电能的情况下，你多久才能打开传感器，收集数据并将其发送出去?取得良好的平衡对于优化传感器寿命至关重要。目前，这些传感器每天至少收集8次数据。集线器和传感器之间的距离理想情况下不超过5米，因为这个距离是收集功率与消耗功率的平衡点。目前，该系统正在开发中，每个集线器大约有6个传感器，但如果优化功率平衡并提高系统性能，这个数字可能会更高。