初创公司为物联网提供电力

作者:Roland Tallos，美国哥伦布尼古拉实验室总工程师

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演示了特斯拉试验站。他的高电压、高频率实验证明了无线电源的概念太过戏剧性:人工闪电产生数百万伏特，并导致火花在附近行人的脚和地面之间跳跃。

如今，研究和工程团队正在研究低功耗系统，以无线充电智能手机和工业物联网(IIoT)传感器等设备。位于俄亥俄州哥伦布市的尼古拉实验室正致力于这一挑战的工业方面。一名参加万博Ansys启动程序该公司于2015年在俄亥俄州立大学成立，旨在将陈智智教授的想法商业化，该想法涉及通过天线之间传输的射频(RF)电磁波传输能量。该公司现在有大约30名员工致力于提供远程机器状态监控的端到端解决方案。机器健康状况测量使用一个超低功率接收器组成的温度传感器和加速度计。虽然接收器目前只需要一次电池充电就能在野外工作很长时间，但它们最终可能受益于尼古拉实验室正在开发的无线电源技术。

但是，像许多创业公司一样，他们必须为许多不同的潜在客户设计和演示原型，在他们发现振动传感器技术之前，它们的应用范围很广。他们仍在其他垂直领域寻找机会，比如智能建筑，以扩大业务。一路走来，有一件事一直不变:万博Ansys基于．

无线电源探索项目

早些时候，一家公司找到尼古拉实验室，希望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NFC阅读器的2.4 GHz发射器源的能量来提供增加读/写范围所需的能量。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。这涉及到设计一种“共形”天线，它将适应(符合)现有的13.56 MHz NFC天线和附带的NFC集成电路(IC)，所有这些都在直径约1英寸的范围内。尼古拉的天线设计接收2.4 GHz射频功率，为他们的能量收集系统封装(SiP)提供电源。然后SiP将RF电源转换为NFC IC的直流电源，在不使用电池的情况下增加了读/写范围。

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进行建模，首先保持所有物体都是平面的，以减少初始模拟时间。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”，以便将长天线长度放入小空间。他们利用HFSS的参数化扫描特性，研究了许多变量，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，作为一个地平面，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的细节，从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，并证明它是可行的，但由于各种原因，客户决定走另一个方向。

另一家公司想要使用无线充电技术为办公空间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。他们还希望包括太阳能电池，可以吸收办公室照明的部分能量，以捕获一部分通常被浪费的电力。该设备必须很小，才能安装在小隔间的墙壁顶部或办公桌上，而电源则位于天花板上方。尼古拉实验室意识到，他们需要一个分束天线图案，需要硬件来紧紧控制两个波束的角度，而且似乎没有足够的空间。因此，他们使用HFSS来确定如何配置天线系统的尺寸、形状和材料，以引导波束达到正确的角度。这涉及到使用参数扫描改变基片和介电材料的大小和类型。同样，原型是成功的，但项目没有继续前进——这是一个创业公司寻找利基市场的相当典型的一系列事件。

终于找到合适的项目

2017年，尼古拉实验室被邀请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况。加速度计数据可以转换为振动数据，专家可以通过检查这些数据来了解机器的状况，如电机外壳或轴承外壳，工业环境中的典型磨损点。现有的这种类型的传感器电池寿命短，需要持续维护以更换电池。尼古拉的工程师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接收器，通过一次电池充电来延长系统寿命。然后，他们使用HFSS专注于射频端，设计用于收集射频功率的天线。收集的射频功率然后馈送到他们的能量收集系统封装中，该系统由一个RF- DC整流电路和一个直流电源管理电路一起组成一个小封装。在发射端，他们模拟了不同的发射机向接收器发送能量。通过这种方式，尼古拉的工程师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力。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，所以这必须足以为系统供电。问题是，你多久能打开传感器，收集数据，并将其发送出去，因为收集的电量很少?保持良好的平衡对于优化传感器寿命至关重要。目前，传感器每天至少要收集8次数据。理想情况下，集线器和传感器之间的距离不超过约5米，因为这个距离是收获功率和消耗功率的盈亏平衡点。目前，正在开发的系统每个轮毂约为6个传感器供电，但如果功率平衡得到优化，系统性能得到提高，这个数字可能会更高。