الابتكارات في إدارة الطاقة من أجل الأجهزة الميكترونية المحمولة

تحدي الطاقة المتنامي في الميكاترونيكات المحمولة

أما النظم الملاحية المحمولة - التلفزيونات التي تدمج بدقة الهياكل الميكانيكية، والمراقبة الإلكترونية، والصناعات المدمجة التي تعيد تشكيل البرمجيات من أجهزة الرصد الصحي القابلة للارتداء والروبوت الجراحية إلى الطائرات الميدانية ورؤوس إعادة الاستهلاك، إلا أن فعاليتها تتوقف على قيد وحيد لا يطاق: الطاقة.

ولم تعد إدارة الطاقة تشكل بعداً يتحول إلى جهاز تنظيمي بسيط للفولط، بل إنها تطورت إلى نظام متعدد الأبعاد يمتد إلى الكيمياء المتقدمة، والتنبؤ بالشحنات الخوارزمية، والتقليل من الطاقة التي تُستخدم في إطار سلسلة التحولات الصناعية، ويواجه المهندسون الآن مهمة جعل كل جهاز محمول من الطوافات، مع الحفاظ على الحجم الصارم، والوزن، والثبط الحرارية في آن واحد.

الابتكارات الأخيرة في مجال إدارة الطاقة النقالة

وقد شهدت السنوات الثلاث الماضية تقاربا في أوجه التقدم التي تعالج الركائز الثلاث المتمثلة في الاستقلال الذاتي في مجال الطاقة: كثافة التخزين، والاستخبارات في مجال التسليم، والتجديد في الهواء، وتنتقل مختبرات البحوث وأفرقة المنتجات التجارية من التحسينات ذات النقاط الواحدة إلى البنى الشاملة التي تتضافر في استخدام الأجهزة، والبرمجيات الثابتة، والخوارزميات التشغيلية، ويضمن هذا النهج استخدام كل عملية مسحية في أقرب وقت ممكن، سواء كان الجهاز آليا في منطقة الكوارث.

ومن ناحية التخزين، فإن الكهرباء الكهربية الصلبة تتحول من خطوط تجريبية إلى إنتاج مبكر، مما يتيح للبطاريات التي تحشد طاقة أكبر في نفس الحجم مع إزالة المكونات السائلة القابلة للاشتعال، وفي التنظيم، أصبحت إدارة الطاقة المتكاملة تشكل الآن نواة للتعلم الآلي تتوقّع حدوث التصاميم قبل حدوثها، وتُسدّد المكثفات المتطورة من حيث سرعة الطلب.

التغيير في مجال التكنولوجيات الرئيسية

سفاح الدول الصلبة: خارج حدود ليثيوم - أيون

وتعتمد خلايا الليثيوم التقليدية على كثافة كهربائية مسببة للسائل تفرض سقفاً على كثافة الطاقة (تقارب 250 إلى 300 و/كغ على مستوى الخلايا) وتستحدث مخاطر على المدرج الحراري، وتستبدل البطاريات ذات الكثافة العالية بالسيارات أو الزجاج أو الكهروليت غير قابلة للتذبذبذب أو مثبتة آلياً.

(أ) بالنسبة لـ [جهاز ميكترونيك مثل جهاز آلي غير مستعمل أو طائرة تفتيشية، فإن الدفع الفوري (500 في المائة) من الحزمة الصلبة يمكن أن تُوصل نفس الوقت بنصف الوزن أو مضاعفة النافذة التشغيلية دون تغيير الميزانية العامة للمنبر، كما أن سرعة الشحن تحسنت لأن الإلكترولية الصلبة يمكن أن تتسامح مع ارتفاع التيار دون إهدار.

وبالنسبة للميكانيكيات المحمولة، فإن التحول إلى الدولتين الصلبتين ليس فقط حول حياة أطول، بل يفتح الباب أمام البطاريات القابلة للتطابق والمتكاملة هيكليا التي يمكن أن تُقَصَّل إلى فوضى الأجهزة، ويوفِّر مساحة أكبر، ويمكن الآن أن تُدرج في الحجم المتين من الميكانيكيات ذات الحجم الكبير، أو في بيئة النسيج الآلي ذات الحجم الصلب.

Intelligent Power Regulation with Embedded AI

وحتى أكثر البطاريات تقدما لا يمكن أن تعوض عن عدم كفاءة عملية توليد الطاقة، إذ يحتوي نظام ميكاترونيك الحديث على مجهزين وسائقين ومصفوفات استشعار ووحدات اتصالات ترسم تيارات مختلفة بشكل كبير، وتستخدم شركات الطاقة التقليدية السكك الحديدية الثابتة الفولطية وخططا بسيطة للتقلبات ذات العجلات التي تترك طاقة كبيرة على الطاولة، ويضم الجيل الجديد من مركبات PMICs الذكية نماذج تاريخية للشحن الآلي

ويمكن لهذه الشرائح، مثل تلك التي تستند إلى نظام " آرم كورتكس - م - 55 " (EthosU55) للتعلم الجزئي من أجل نقطة النهاية AI، أن تتيح زيادة دينامية في حجم الترددات تتجاوز كثيراً مستويات الـ دي في إس (DVFS) ويمكنها أن تقطع تدريجياً فترات السحب من نظام البرمجيات المتدنية قبل أن تُغلق بعد ذلك مراحل أسرع من أي وقت مضى.

ونتيجة لذلك، فإن جهاز الرصد الصحي القابل للارتداء هو أن جهاز الإنذار المتطور وجهاز البث الإذاعي بلوتون يستقبل بالضبط الطاقة التي يحتاجها، وذلك تحديدا عندما يحتاج إليها، دون نفايات في قاعات النوم، وتظهر علامات على أن هذه اللائحة التكييفية يمكن أن تمتد إلى فترة البطارية بنسبة تتراوح بين 20 و35 في المائة مقارنة بمخطط تنظيم ثابت في معدات متطابقة، أما بالنسبة للأجهزة التي تعمل في مجال قياسات الكترونية مثل أجهزة التفتيش والإنقاذ، فتتحوّتُترجمات مباشرة إلى تنبؤات.

Multi —Source Energy Harvesting

ولا يمكن أن يُستخدم جهاز ما في البطارية، مهما كان الكثافة، إلا أن جمع الطاقة يغلق الفجوة عن طريق التلاعب بمصادر مائية تضيع، كما أن النظم المترونية مناسبة بشكل خاص لأنها تعمل في كثير من الأحيان في بيئات غنية بالهزات الميكانيكية، أو التدرجات الحرارية، أو الضوء، وتُحدث التطورات في مجال تضخم الثيران، وتُعدُّل الطاقة الكهربائية، والمواد الإلكترونية المحتوية على كهرباء.

Pie0electric harvesters using flexible PVDF (polyvinylidene fluoride) movies can generate up to 200 miW/cm2 from the vibrations of a walking person or a rotating motor. Thermoelectric electricity generated based on bismuth telluride palvenge 50-100 W from a 10°C temperature optb

وتعالج الآن مراكز إدارة الطاقة الكهربائية الإبداعية عمليات تجميع متعددة المصادر، وتجمع الطاقة من مترجمين متفرقين - يُقال إن هناك لوحة شمسية، ويُستخدم فيها جهازاً مُعدياً مُوجَّهاً نحو اليقظة، ويُستخدم في نفس الوقت كبش فداء واحد للتخزين أو بطارية مُعدة، ويُختار بذكاء أكثر المدخلات واعدة ويحمي من الإفراط في التغل.

نقل الطاقة بدون سلك وربطها

وفي حين أن تكنولوجيا التخزين ليست مجردة، فإن نقل الطاقة اللاسلكية يتحول إلى كيفية نشر الميكترونيك المحمول وإعادة شحنه، إذ يمكن أن تؤدي عمليات التقلب المسببة للاختراع والتردد اللاسلكي إلى إزالة الموصلات المادية التي تكون نقطة تواتر في البيئات القاسية أو المختومة، كما أن أحدث نظم الاختراق، التي تمتثل للمعايير مثل Qi 2.0 و8Fel Resonant، إلى مستوى أعلى

ويمكن أن يُحكم عليهم باختتامهم بواسطة أجهزة مقطعية، أو أجهزة شحن لاسلكية، أو أجهزة شحن غير مجهزة بالأشعة تحت الماء، أو للزراعة الطبية، أو تحسين القدرة على التعقيم والتعقيم، ويمكن للأجهزة المحمولة أن تهبط بصورة مستقلة على رصيف شحن دون أن تكون دقيقة، كما يمكن أن تُعاد شحن الأسلحة الآلية في مصنع ما بين الدورات.

وبعد الانقلابات الاستهلالية، بدأ نقل الطاقة اللاسلكية اللاسلكية الثقيلة في الظهور من أجل التطبيقات التي تتطلب فجوات فوقية أو حيث تتداخل الأجسام المعدنية مع الحقول المغناطيسية، وتستخدم هذه التقنية حقول كهربائية عالية التردد من خلال طبقات الديكليات، ويجري استكشافها من أجل شحنات غير قابلة للاختراق داخل الشبكة من أطراف آلية، وتقترن ببطاريات صلبة، يمكن أن تتيح نظم WPT استخدام أجهزة الحاسبة كاملة.

المكثفات الخارقة المتقدمة ومستودعات الهجين

ويمكن للمكثفات أن تزود عشرات الأمفيتامينات في الثانية وأن تتحمل الملايين من الدورات، مما يجعلها مثالية للشحنات المقلية المشتركة في عمليات التسارع - أو التسريع - أو التكتل في أجهزة التخزين الرقمية - أو التزود بعشرات الأمفيتامينات في الثانية، أو تحمل الملايين من الدورات، مما يجعلها مثالية للشحنات المطاطية المشتركة في التسريع - التسريع، أو التزود بالبطارات اللاسلكية.

فعلى سبيل المثال، قد يتطلب وجود مركب كاحل اصطناعي من طراز 5 إلى ألف خلال مرحلة الدفع، تليه فترة طويلة من الاستشعار المنخفض التجار، ويحول استخدام مشرف على إمداد المفجر دون أن تشهد البطارية معدلات مرتفعة للتفريغ، ويحافظ على الحياة في الدورة، ويحافظ على استقرار الكثافة، وتسد الثغرات في تصميمات الليثيوم التي تظهر في الوقت القريب.

الأثر على تصميم الأجهزة واستخدامها

إن ازدهار التخزين الكثيف، وتنظيم التكيف، واستخراج الطاقة في المحيط، والعزلة الهجينة، يعيد تشكيل هياكل مائية على كل مستوى، ولم يعد المصممون ملزمين بقبول البطارية كعنصر مهيمن ومتعلق بالحجم، ويمكنهم أن يتبادلوا الوزن والشكل والتفكك الحراري بحرية أكبر، مما يؤدي إلى منتجات أرق وأخف وأفقر وأكثر إيقاعا.

وتولد خلايا السولاندية حرارة أقل من النفايات أثناء الشحن والتدمير، وتخفض المركبات الآلية الذكية المزودة بأجهزة التفريغ الحراري عموماً عن طريق إزالة رأس المفاعلات الكهربائية غير الضرورية، مما يتيح للمهندسين القضاء على مراوح التبريد أو المسخنات ذات الكبسولة الكبيرة في أجهزة مثل النظم المحمولة فوق الصوتية أو الماسحات الصناعية المحتوية على اليد، مما يزيد من تقليص حجم الحزمة.

ومن الناحية الوظيفية، تتيح إدارة الطاقة المعززة القدرات التي كانت محجوزة سابقا للنظم المتطاولة، ويمكن الآن للزوارق القابلة للزراعة أن تتحول يوما كاملا على شحنة واحدة بينما تجني الطاقة من الغواصة الطبيعية للمستعمل، ويمكن للآليات التي تُواجه الكوارث أن تحمل بطاريات أخف، وتحرر حمولة من أجل زيادة سرعة الأذن أو الذراع المتحرك.

التحديات والاعتبارات الهندسية

وعلى الرغم من الوعد، فإن إدماج ابتكارات الطاقة هذه في الميكاترونيكات المتطورة في الإنتاج ليس أمراً مستقيماً، بل إن البطاريات ذات النطاق العادم، وإن كانت أكثر أماناً، تعاني حالياً من أداء محدود في الوقت الحاضر من حيث الحرارة العالية، ومن مقاومة داخلية أعلى في درجات الحرارة المحيطة دون التجمّد، مما يؤثر على استخدامات الآلات المغلقة في الهواء الطلق وفي تطبيقات ذات السلاسل الدخيلة.

وفي الوقت نفسه، تضيف البلدان الأعضاء الأكثر ذكاء في البلدان النامية التي تمر اقتصاداتها بمرحلة انتقالية رأسها العام الحالي الذي لا بد أن يشترط محرك الاستطلاعات المصغرة فقط على الميكرواتات لتبرير وجوده، وأن الربط الشبكي بين عدة مركبات متعددة من طراز PMICs عبر نظام موزع يتيح تحديات في مجال التزامن، ويمكن أن يؤدي التنبؤ بالشحنات المفرطة إلى حدوث انقطاعات في المركبات إذا ما بدأت حركة السيارات أسرع مما كان متوقعا.

كما أن جمع الطاقة، من أجل جميع نداءاته، لا يمكن التنبؤ به، كما أن جهازاً يعتمد على الضوء الداخلي والهزاء يجب تصميمه لمواجهة فترات طويلة من الاضطرابات، ولا تزال توجد هياكل هجينة تجمع بين المحصولين وأجهزة احتياطية، هي أيضاً عناصر إلزامية، ولكن إدارة عمليات الإنهاء التدريجي وعمق التفريغ عبر مختلف الكيمياء مثل جهاز التصاميم الفوقية وقنوات الليثرية

(ب) أن تُدخل نظم التخزين الهجينة مجموعة من المبادلات الخاصة بها، ويجب على متحكم إدارة الطاقة أن يوازن بين المكثف والبطارية، وأن يُحاسب على مختلف صور الفولطية ومعدلات التطهير الذاتي، وأن يكون التوازن بين الخلايا النشطة أكثر تعقيداً عندما تكون هناك تكنولوجيات تخزين، وأن ترتفع تكلفة النظام عموماً زيادة كبيرة، غير أن أجهزة الاختراق العالية الأداء، تتحول إلى تكاليف توليد الطاقة الكهربائية القصوى وطول البطاري.

الآفاق المستقبلية

]وإذ يتطلع إلى المستقبل، يشير خط الأنابيب البحثية إلى أن الانجازات الحالية هي الأساس فقط، وقد برهن الجيل القادم من الليثيوم - الكبريت والكيمياء - الهواء على أن الكثافة النظرية للطاقة تتجاوز ٦٠٠ و/كغ، وإن كانت الحياة العملية غير مستعملة، فقد أظهرت البطاريات الهيكلية - حيث تخزن عبوات الجهاز نفسها الطاقة - طوابق من المختبرات الجامعية إلى أنواع الدفاع وأجهزة الكربون.

وسيصبح نظام إدارة الطاقة مستقلا بصورة متزايدة، وسيتفاوض وكلاء التعلّم الموزعون على المعجلات العصبية الفرعية التابعة للمدارس، على ميزانيات الطاقة فيما بين النظم الفرعية للجهاز في الوقت الحقيقي، وسيعدّلون الحدود القصوى للأجهزة الكهربائية، ومعدلات أخذ العينات المشعرة، وأجهزة البث الإذاعي على أساس الأولوية في البعثة، كما أن مشاريع البحوث الممولة من نظام " أربا - إي " تستكشف معدات القدرة على الصيانتهاب الذاتية.

وسينتقل جمع الطاقة المستدامة إلى المواد الوفيرة وغير السمية، وستؤدي مقاييس الطاقة الخالية من الفطائر مثل نوبات الصوديوم إلى تحقيق تقدم في مجال استخدام أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية، وتُعدّ هذه المواد من خلال نظام تحويل الطاقة المتوازي 98 في المائة من المواد ذاتية الدفع، وتُعد الأفلام المركبة ذاتية الطراز العضوي التي تُطبع على مبانٍ ذاتية، إلى جانب عمليات تحويل أجهزة الاستنشاق غير المزودة بالب.

وفي نهاية المطاف، لن تحدد أجهزة القياس المحمولة في العقد القادم فقط بواسطة محركاتها أو أجهزة استشعارها، بل بقدرتها على إدارة الطاقة بكفاءة بيولوجية قريبة، وسيؤدي ضخ المخازن الصلبة، والتنظيم التكييفي، والتحصيل الغلياني، والثبات المغناطيسي إلى تحويل الطاقة من عامل يحد إلى عامل تمكيني للتصميم، مما يؤدي إلى زيادة سرعة تكيف المقومات العالمية، وإلى الحد الأدنى من الابتكارات المتنقلة.