新一代無線充電方案助益「無人經濟」

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

WiBotic能為天上飛、水裡游、路上跑以及工業應用市場的機器人提供無線充電與電源最佳化方案,其自適應配對(Adaptive Matching)技術提供了一種感應式電力傳輸新方法,號稱能為無人機與其他飛行裝置提供所需的功率水準。

有一些大公司正規劃以無人機隊來提供服務,然而他們都遇到一個亟待克服的營運挑戰:商用無人機飛行時間會受到電池容量的限制。

以上的問題讓一家成立4年的美國新創公司WiBotic特別受到矚目,該公司專門為無人機與機器人設計、生產電池充電解決方案,已經在A輪募資中取得570萬美元資金,其投資人包括Junson Capital、SV Tech Ventures、Rolling Bay Ventures、Aves Capital、The W Fund與WRF Capital等多家創投業者,

WiBotic能為天上飛、水裡游、路上跑以及工業應用市場的機器人提供無線充電與電源最佳化方案,其自適應配對(Adaptive Matching)技術提供了一種感應式電力傳輸新方法,號稱能為無人機與其他飛行裝置提供所需的功率水準。

此外WiBotic的電源最佳化解決方案能透過軟體程式庫,提供詳細的電池充電參數監測;結合無線充電硬體的戰略性佈署,這些軟體功能是為最佳化無人機運轉時間量身打造。該公司無線充電解決方案還能處理充電調度,解決在不同時間以同一個發射器為多個機器人充電的難題。

結合感應/耦合無線電力傳輸技術長處

利用電磁場作為電源追溯到19世紀末期,當時發明家Nikola Tesla首度證明能不用電線來傳輸電力;然而無線電力傳輸(WPT)技術雖然眾所周知,發射器的設計、擺放位置、功效的最大化以及整個系統的驗證,是需要專門技術以及像是數值模擬(numerical simulation)等先進工具才能完成的複雜體挑戰。

最常見的無線電力傳輸系統技術是電感耦合(inductive coupling)或磁共振,各有優缺點;其中電感耦合,即感應式方案又是被採用最多的一種,特別是在消費性電子裝置上。可惜的是,這種感應式無線充電必須要天線相當靠近才具效益,但無人機與機器人等裝置無法讓自己對準感應系統以獲得可靠的充電。

磁共振無線充電是能在裝置位置方面提供更大彈性的最新技術,不過典型的磁共振充電系統有一個能發揮最大充電效益的特定區域,如果機器人只是短暫停留或是偏離中心,充電效益就會降低,充電所需時間也會拉長。

WiBotic的解決方案號稱集合了感應式與共振式無線充電系統的長處,該公司執行長Ben Waters表示:「我們的專利自適應配對系統繪持續監控相對天線位置,動態調整硬體與韌體參數以維持最大效益,以高功率水準提供穩定的充電,而且能涵蓋水平、垂直與角度偏移的數公分範圍。」

 

圖1:不同無線充電技術的效率比較。

(圖片來源:Wibotic)

 

專有軟體演算法

要評估無人機的停機時間,得知其電池電量何時降低、何時該進行充電是非常重要的功能;但不同的無人機/機器人,其電池化學成分、電壓與電流等參數也有不同。WiBotic的能源最佳化軟體能評估機器人何時該充電,並判斷為它們充電的最佳方式。

Wibotic的韌體能讓無人機/機器人操作員監測並設定想要的充電參數,系統內建的「大腦」能直接存取內建充電器以執行相同功能。結構化的充電網路架構讓機器人能維持充電、最小化停機時間,並降低整體機器人/無人機隊的成本。

Water表示:「我們有很多機器人技術方面的創新來自於發射器RF放大器的輸出,在接收器端則是對整流器的輸入,我們能動態調整系統阻抗,以確保我們透過維持空心變壓器兩側的電源與負載阻抗匹配,讓功率傳輸最大化;」他強調該公司方案的調整與反應速度非常快,能即時適應充電系統中的任何變化。

Wibotic的系統架構

Wibotic開發的無人機無線充電站是一個矩形平台(標準尺寸為3英呎見方),包括一片「智慧」感應板,當無人機降落其上,會判定裝置內部的電池類型並設定正確的充電參數。該公司所有的無線充電系統都具備四個主要硬體元件:發射器、發射天線線圈、(待充電裝置上的)機載充電單元以及接收天線線圈(參考圖2)。

 

圖2:Wibotic無線充電系統架構原理圖。

(圖片來源: Wibotic)

 

發射器會透過AC電源產生高頻率的無線電力訊號,該訊號經由SMA同軸纜線送至發射天線圈,並產生電場與磁場;該線圈能根據無人機的跑道以任意方向安裝。

發射器裝置能識別任何配備了機載充電單元與接收器天線線圈的機器人/無人機,自動開啟提供正確的能量。集合線圈饋入能量到機載充電器電路,該機載充電器會將訊號轉換回DC電壓並控制電池充電功能,以對廣泛種類的電池進行安全充電。

「我們採用的機載處理器是Arm核心STM32微控制器,採用複雜狀態機與處理器本地執行的動態控制演算法,以判定該以多少輸出來因應進入的訊號;」Wibotic首席軟體工程師Alex Huttunen解釋:「如果你傳送數百瓦的電力,但更改了錯誤的參數,可能很容易就讓系統損壞而非獲益,因此能即時感知狀況改變並判定因應方法,是我們系統相當重要的一部分。」

「如果你需要很快執行任務,又沒有大量的運算能力,就需要針對軟硬體都進行妥善的最佳化;」Huttunen指出,該公司的RF放大器使用了氮化鎵(GaN)半導體元件,是讓硬體性能最佳化的關鍵。GaN技術能滿足高開關頻率、效率最大化的無線充電需求。

WiBotic是與加拿大GaN功率元件供應商GaN Systems合作,實現無人機/機器人所需的功率水準與天線範圍。此外採用Vicor的48V VI Chip PRM穩壓器模組為其TR-110無線充電站的發射器供電;該模組接受48V AC-DC電源,自適應控制輸出電壓,截止電壓約20~55V。

WiBotic業務開發副總裁Matt Carlson表示:「我們主要鎖定機器人、自動化與工業裝置應用;我們也對於無線充電技術在眾多產業領域的成長感到非常興奮,該技術在手機上的採用越來越多,並擴展到許多其他領域。」

他並透露WiBotic正在開發人工智慧與機器學習演算法,以在支援電池充電分析等功能。未來藉由其無線充電系統,無人機的整個充電程序都能透過雲端軟體、API與工具進行遠端監控,確保無人機在有需要時能盡可能迅速完成充電重新執行任務,在航班規劃不那麼密集時則能減慢其速度。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Wireless Charging Keeps Drones Flying,By Maurizio Di Paolo Emilio)

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