كيف يُحسّن نظام الطاقة الجديد الشحن اللاسلكي

إن ارتفاع أنظمة الشحن اللاسلكي ليس مفاجئًا. توفر هذه الأجهزة مزيدًا من الراحة والمرونة مقارنةً بنظيراتها السلكية. ومع ذلك، هناك عدة عوامل محدودة تمنع شواحن اللاسلكي من الظهور كمعيار صناعي.

ومن الجدير بالذكر أن فريقًا من المهندسين في جامعة إنتشون الوطنية قدم مؤخرًا قدم نظامًا جديدًا لإدارة الطاقة قد يحسن بشكل كبير حلول الشحن اللاسلكي. يوفر النظام الجديد طاقة مستقرة ويقلل التداخل. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

كيف يعمل الشحن اللاسلكي؟

هناك الكثير من العمليات التي تحدث خلف الكواليس عندما تضع هاتفك أو ساعتك الذكية على محطة شحن لاسلكية. تقوم هذه الأجهزة بنقل الطاقة اللاسلكية (WPT) دون أسلاك ومن خلال الأغطية باستخدام الحث الكهرومغناطيسي.

يحدث الحث الكهرومغناطيسي لاسلكيًا بعد أن يقترب ملف الإرسال اللاسلكي الموجود في محطة الشحن من ملف المستقبل. يتسبب ذلك في تذبذب الإلكترونات في ملف المستقبل، مما يخلق حقلًا كهرومغناطيسيًا بين الملفين يشحن جهازك.

دائرة الرنين

إحدى المكونات الرئيسية في أنظمة الشحن اللاسلكي هي دائرة الرنين. تقوم هذه الأجهزة بموازنة حث ملف المستقبل لتحقيق رنين التردد. كما تلعب دورًا حيويًا في تعزيز نقل الطاقة إلى الوحدة وخفض مقاومة الدائرة.

ضبط الرنين

يُستخدم ضبط الرنين للتحكم في التداخل وطاقة النظام. غالبًا ما تتضمن هذه التعديلات مستقبلات موازية مُعوضة للمساعدة في تعديل تردد تشغيل النظام. ومن المثير للاهتمام أن هذا التعديل يخلق عدم توافق بين التردد المعدل والرنان، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء.

مشكلات أنظمة الشحن اللاسلكي اليوم

يواجه الشحن اللاسلكي بعض التحذيرات الجدية في الوقت الحالي. على سبيل المثال، هو أبطأ بكثير من البدائل السلكية. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج جهازك إلى أن يكون قريبًا جدًا لكي تعمل معظم أنظمة الشحن بشكل صحيح.

التداخل الكهرومغناطيسي

يمكن لأنظمة إمداد الطاقة والدوائر الرنانة المستخدمة في محطات الشحن اللاسلكية اليوم أن تتداخل مع دوائر الرنين في الأجهزة الأخرى القريبة. يقلل هذا التداخل الكهرومغناطيسي من كفاءة وأداء محطات الشحن اللاسلكية أيضًا.

كفاءة النظام المنخفضة

يمكن أن تعاني أنظمة الشحن اللاسلكي التقليدية من فقدان مفاجئ وغير متوقع للطاقة. السبب الرئيسي لهذا الانخفاض المفاجئ هو التغييرات الكبيرة في تردد الدوائر الرنانة. سيؤدي ذلك إلى ارتفاع حرارة أجهزتك وشحنها ببطء.

حلول ضبط الرنان

تم تقديم حلول ضبط متعددة إلى القطاع منذ دخول الشحن اللاسلكي إلى السوق. ومن الجدير بالذكر أن جميعها تتطلب نوعًا من الأجهزة الإضافية. المشكلة أن هذه الأجهزة تزيد من التعقيد ومتطلبات الطاقة والحجم الكلي لهذه الأجهزة. بالإضافة إلى ذلك، هي مكلفة وقد تتطلب خبراء للتعامل مع إعدادات التحكم المعقدة.

معيار الشحن اللاسلكي Qi

أكثر معيار شحن لاسلكي شائعًا اليوم هو معيار Qi. يمكن لهذا النوع من محطات الشحن توفير طاقة لاسلكية لجهاز على بُعد حوالي 4 سم. تتراوح ترددات تشغيله بين 110-205 كيلوهرتز، ويمكنه شحن عدة أجهزة في نفس الوقت.

المصدر – Torro

يُعد Qi شائعًا لكنه غير فعال. إنه بطيء ويمكن أن يتسبب في ارتفاع حرارة أجهزتك. ارتفاع حرارة الجهاز قد يقلل من أداء البطارية مع مرور الوقت. لذلك، هناك حاجة مباشرة إلى حلول شحن لاسلكية أكثر استقرارًا وكفاءة. لحسن الحظ، هناك حل يلوح في الأفق.

دراسة تحسين الشحن اللاسلكي

نشر مهندسو جامعة إنتشون الوطنية دراسة بعنوان “مقوم تعديل الرنين للمستقبلات الموازية المعوضة في نقل الطاقة اللاسلكية“¹ في المجلة العلمية IEEE Transactions on Industrial Electronics هذا الشهر. تقدم الدراسة حلًا جديدًا لمقوم تعديل الرنين يمكنه توفير طاقة لاسلكية مستقرة وقد يثوّر السوق.

مقوم تعديل الرنين (RTR)

تساعد مقومات تعديل الرنين (RTR) على تصحيح عدم توافق الرنين في المستقبلات الموازية المعوضة التي تحدث أثناء تعديلات تردد طيفية واسعة. لإنجاز هذه المهمة، يقوم الوحدة بضبط السعة الفعّالة تلقائيًا.

تتيح هذه الخطوة لمقوم RTR ضبط تردد الرنين من خلال مزامنة إشارات التحكم مع التيار في النظام. بمجرد المزامنة، يمكن للجهاز البدء في تعويض أي عدم توافق بين الرنين الداخلي وفترات التعديل.

على وجه التحديد، حقق الباحث الضبط من خلال مزامنة إيقاف تشغيل MOSFET في المقوم مع عبور الصفر للتيار الأساسي. يستخدم النظام ملف استشعار مدمج لاستخلاص معلومات الطور ومزامنة مخرجه مع التيار الأساسي للنظام.

اختبار تحسين الشحن اللاسلكي

لاختبار نظام الشحن اللاسلكي المحسّن، بنى المهندسون نموذجًا أوليًا لمحطة شحن كهربائية بقدرة 2.2 كيلواط. خضعت محطة شحن السيارات لعدة مراحل اختبار. خلال هذه التجارب، جمع الفريق بيانات حول أدائها وكفاءتها ومستويات التداخل والاستقرار وتأثيرها على البطاريات. كانت النتائج مبهرة.

نتائج اختبار تحسين الشحن اللاسلكي

حسّن إعداد مصدر الطاقة الجديد الأداء بشكل عام للمحطة الشاحنة. على سبيل المثال، حافظ على تعديل تردد التشغيل بين 80-90 كيلوهرتز. سمح هذا التردد للمحطة بتوفير طاقة خرج ثابتة.

لاحظ المهندسون تحسينًا في الكفاءة يتراوح بين 3.5% و 8.1% عند استخدام الجهاز المطور. حقق النظام الجديد كفاءة إضافية بفضل أنظمته الآلية وميزة تشغيل التبديل الصفري للجهد (ZVS) وإيقاف تشغيل منخفض dv/dt. تمنع هذه الميزة فقدان الطاقة نتيجة التبديل.

فوائد دراسة تحسين الشحن اللاسلكي

هناك العديد من الفوائد التي تقدمها دراسة الشحن اللاسلكي للسوق. أولاً، توفر بديلاً منخفض التكلفة للوضع الحالي مع تحسين الأداء. بالإضافة إلى ذلك، يتيح التصميم البسيط مزيدًا من إعدادات التحكم التي تمكّن من التكيف الفوري مع سيناريوهات الاستخدام.

توصيل طاقة مستقر

الفائدة الرئيسية التي يوفرها حل الشحن المطور هي توصيل طاقة موثوق ومستقر. هذه الفائدة حاسمة لإنشاء إلكترونيات أكثر فعالية وفائدة. تفوق النظام المطور على سابقيه وينتج تدفق طاقة مستقر مع فقدان طاقة قليل.

لا حاجة لمكونات الطاقة

فائدة رئيسية أخرى لهذا البحث هي إلغاء الحاجة إلى مكونات طاقة إضافية. لا يتطلب مقوم RTR الجديد نظامًا معقدًا أو بطاريات إضافية أو مكثفات أو مكونات طاقة ضخمة أخرى قد تزيد من حجم الوحدة.

لا حاجة لمنطق التحكم

على نفس المنوال، يلغي RTR المطور الحاجة إلى دمج دوائر تغذية راجعة معقدة. يتم توفير الكثير من الطاقة والمساحة، مما يلغي الحاجة إلى أنظمة التواصل بين المرسل والمستقبل. النتيجة هي وحدات أصغر وأكثر متانة.

تطبيقات نظام الشحن اللاسلكي المحسّن

هناك تطبيقات شبه لا نهائية لأنظمة الشحن اللاسلكي عالية الأداء. إلى جانب تزويد سيارتك الكهربائية أو هاتفك أو ساعتك بالطاقة، يمكن لهذه الوحدات توفير الطاقة لأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الاستشعار ومجموعة من الأجهزة لتبسيط الحياة لمليارات الأشخاص. إليك بعض التطبيقات المحتملة لمحطات الشحن اللاسلكية عالية الأداء.

الطب

يمكن لصناعة الطب الاستفادة من هذه التقنية لإنشاء عمليات مراقبة وعلاج أكثر فعالية. يمكن لهذه الأجهزة توفير تغطية على مدار 24 ساعة للمرضى. بالفعل، درس المهندسون الأجهزة القابلة للارتداء والزرعات وغيرها من الأجهزة الطبية الحيوية التي يمكنها الاستفادة من هذه التقنية لتحسين قدراتها.

اللوجستيات

صناعة أخرى قد تستفيد من تحسين قدرات الشحن اللاسلكي هي قطاع اللوجستيات. يمكن لقطاع اللوجستيات الاستفادة من هذه الدراسة لتحسين أنظمة التتبع، بما في ذلك أجهزة إنترنت الأشياء. يمكن لهذه الأجهزة توفير مراقبة على مدار الساعة بمستوى جديد تمامًا باستخدام حلول الشحن اللاسلكي. في المستقبل، ستكون أغراضك محمية بأجهزة استشعار إنترنت الأشياء في المستودعات والشاحنات والمتاجر.

باحثو نظام الشحن اللاسلكي المحسّن

قادت دراسة الشحن اللاسلكي باحثون من جامعة إنتشون الوطنية، إنتشون، كوريا، بمساعدة فريق من جامعة أوكلاند، أوكلاند. شارك بالتحديد سعيدول علم تشودهوري، سيونغمين كيم، سانغون كيم، إنكوي تشو، ودوك جو آن في الورقة. الآن، يسعى الفريق إلى توسيع قدرات نظام الشحن وخفض تكلفته، مما يتيح التكامل على نطاق واسع.

الشركات الرائدة في الشحن اللاسلكي

أدى انتشار خيارات الشحن اللاسلكي إلى ظهور عدة شركات كلاعبين مهيمنين في السوق. تتخصص هذه الشركات في البحث والتطوير وتستمر في تقديم أجهزة أكثر قدرة وتكلفة معقولة. إليك شركة واحدة تقع في موقع يمكنها من تحقيق عوائد استثمارية كبيرة بفضل أي اختراقات تقنية كبرى في الصناعة.

Energous Corporation

دخلت شركة Energous Corporation السوق في عام 2012. تأسست في سان خوسيه، كاليفورنيا، ومنذ ذلك الحين نمت لتصبح مزودًا رائدًا لأنظمة الشحن اللاسلكي. تقدم الشركة حاليًا مجموعة واسعة من حلول الشحن اللاسلكي التي تتراوح بين الوسادات التقليدية وحلول الشحن اللاسلكي طويلة المدى للمستودعات.

المنتج الرئيسي لشركة Energous Corporation هو شبكة الطاقة اللاسلكية WattUp. تعمل هذه الأجهزة مع وحدات إنترنت الأشياء لتوفير شحن ذكي طويل المدى. تستخدم الشحن القائم على الترددات الراديوية وتدعم مجموعة هائلة من أجهزة إنترنت الأشياء وغيرها من الإلكترونيات.

يُنظر إلى سهم WATT كإضافة قوية لمحفظتك لعدة أسباب رئيسية. أولاً، شهد السهم تحركات إيجابية مؤخرًا. الدور الريادي للشركة في قطاع الشحن اللاسلكي، بالإضافة إلى التحديثات التقنية الموعودة، يدفع هذا النمو.

حاليًا، تبلغ القيمة السوقية لسهم WATT 10.791 مليون دولار ونطاقه خلال 52 أسبوعًا هو 0.2800 – 2.7000. ينبغي لمن يبحث عن مصنع موثوق لمحطات الشحن أن يجري مزيدًا من البحث حول شركة Energous Corp وعروضها.

آخر المستجدات حول شركة Energous Corporation

سيصبح الشحن اللاسلكي المعيار في النهاية.

ليس هناك شك كبير في أنه بمجرد أن يلحق الشحن اللاسلكي بالبدائل السلكية، سيصبح المعيار. لا يزال توفير التكاليف والراحة والمرونة يجعل الشحن اللاسلكي الخيار المفضل للمستخدمين والشركات على حد سواء. وبالتالي، قد لا يبعد عنك كثيرًا أن لا تحتاج أبدًا إلى البحث عن كابل شحن أو بطارية مرة أخرى.

تعرف على حلول الطاقة المبتكرة الأخرى هنا.

مرجع الدراسة:

^{1. Chowdhury, S. A., Kim, S., Kim, S., Cho, I., & Ahn, D. (2024). Resonant tuning rectifier for parallel compensated receivers in wireless power transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(12), 15664–15673. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3390737}