Cómo un nuevo sistema de energía está mejorando la carga inalámbrica

El auge de los sistemas de carga inalámbrica no es una sorpresa. Estos dispositivos ofrecen mayor comodidad y flexibilidad que sus contrapartes con cable. Sin embargo, varios factores limitantes impiden que los cargadores inalámbricos se conviertan en el estándar de la industria.

Cabe destacar que un equipo de ingenieros de la Universidad Nacional de Incheon presentó recientemente un novedoso sistema de gestión de energía que tiene el potencial de mejorar drásticamente las soluciones de carga inalámbrica. El nuevo sistema proporciona energía estable y reduce la interferencia. Aquí está lo que necesita saber.

¿Cómo funciona la carga inalámbrica?

Mucho ocurre tras bambalinas cuando coloca su teléfono o smartwatch sobre una estación de carga inalámbrica. Estos dispositivos realizan la Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT) sin enchufes y a través de carcasas mediante inducción electromagnética.

La inducción electromagnética ocurre de forma inalámbrica después de que una bobina transmisora ubicada en la estación de carga se acerca a una bobina receptora. Este escenario hace que los electrones en la bobina receptora oscilen, creando un campo electromagnético entre ambas bobinas que carga su dispositivo.

Circuito resonante

Uno de los componentes clave de los sistemas de carga inalámbrica es el circuito resonante. Estos dispositivos equilibran la inductancia de la bobina receptora para lograr resonancia de frecuencia. También desempeñan un papel crucial al aumentar la transferencia de energía a la unidad y reducir la impedancia del circuito.

Ajuste de resonancia

Para controlar la interferencia y la potencia del sistema, se utiliza el ajuste de resonancia. Estos ajustes a menudo emplean receptores compensados en paralelo para ayudar a modular la frecuencia de operación del sistema. Curiosamente, es esta modulación la que crea una descoordinación entre las frecuencias modulada y resonante, lo que resulta en un rendimiento reducido.

Problemas con los sistemas de carga inalámbrica hoy

La carga inalámbrica presenta algunas limitaciones importantes en la actualidad. Por ejemplo, es mucho más lenta que las alternativas con cable. Además, su dispositivo debe estar muy cerca para que la mayoría de los sistemas de carga funcionen correctamente.

Interferencia electromagnética

Los sistemas de suministro de energía y los circuitos resonantes utilizados en las estaciones de carga inalámbrica actuales pueden interferir con la circuitería resonante de otros dispositivos cercanos. Esta interferencia electromagnética también reduce la eficiencia y el rendimiento de las estaciones de carga inalámbrica.

Baja eficiencia del sistema

Los sistemas tradicionales de carga inalámbrica pueden sufrir pérdidas de energía súbitas e inesperadas. La razón principal de esta caída repentina es los cambios drásticos de frecuencia en los circuitos resonantes. Este escenario provocará que sus dispositivos se calienten y carguen lentamente.

Soluciones de ajuste del resonador

Se han introducido múltiples soluciones de ajuste en el sector desde que la carga inalámbrica ingresó al mercado. Cabe destacar que todas requieren algún tipo de hardware adicional. El problema es que estos dispositivos aumentan la complejidad, los requisitos de energía y el tamaño total de los equipos. Además, son costosos y pueden requerir expertos para manejar los complejos ajustes de control.

Estándar de carga inalámbrica Qi

El estándar de carga inalámbrica más popular en la actualidad es el estándar Qi. Este tipo de estación de carga puede proporcionar energía inalámbrica a un dispositivo a aproximadamente 4 cm de distancia. Sus frecuencias de operación oscilan entre 110 y 205 kHz, y puede cargar varios dispositivos simultáneamente.

Fuente – Torro

Qi es popular pero no es eficiente. Es lento y puede provocar que sus dispositivos se calienten. El sobrecalentamiento de su dispositivo puede reducir el rendimiento de la batería con el tiempo. Por ello, existe una necesidad directa de soluciones de carga inalámbrica más estables y eficientes. Afortunadamente, una solución está en el horizonte.

Estudio de carga inalámbrica mejorada

Ingenieros de la Universidad Nacional de Incheon publicaron un estudio titulado “Resonant Tuning Rectifier for Parallel Compensated Receivers in Wireless Power Transfer“¹ en la revista científica IEEE Transactions on Industrial Electronics este mes. El estudio presenta una nueva solución de rectificador de ajuste resonante que puede proporcionar energía inalámbrica estable y podría revolucionar el mercado.

Rectificador de ajuste resonante (RTR)

Los rectificadores de ajuste resonante (RTR) ayudan a corregir la descoordinación de resonancia de los receptores compensados en paralelo que ocurre durante las modulaciones de frecuencia de espectro ensanchado. Para lograr esta tarea, la unidad ajusta de forma autónoma la capacitancia efectiva.

Este paso permite que el RTR ajuste la frecuencia resonante sincronizando las señales de control y la corriente del sistema. Una vez sincronizado, el dispositivo puede comenzar a compensar cualquier descoordinación entre la resonancia intrínseca y los periodos de modulación.

Específicamente, el científico logró el ajuste sincronizando el apagado del MOSFET del rectificador con el cruce por cero de la corriente primaria. El sistema aprovecha una bobina sensor integrada para extraer información de fase y sincronizar su salida con la corriente primaria del sistema.

Prueba de carga inalámbrica mejorada

Para probar su sistema de carga inalámbrica mejorado, los ingenieros construyeron un prototipo de estación de carga de vehículos eléctricos de 2,2 kW. La estación de carga automotriz pasó por varias fases de prueba. Durante estos ensayos, el equipo recopiló datos sobre su rendimiento, eficiencia, niveles de interferencia, estabilidad y el impacto en las baterías. Los resultados fueron impresionantes.

Resultados de la prueba de carga inalámbrica mejorada

La nueva configuración de suministro de energía mejoró el rendimiento en todos los aspectos de la estación de carga. Por un lado, mantuvo una modulación de frecuencia operativa afinada entre 80 y 90 kHz. Esta frecuencia permitió que la estación proporcionara una potencia de salida constante.

Los ingenieros observaron una mejora del 3,5 %‑8,1 % en la eficiencia al utilizar el dispositivo mejorado. El nuevo sistema logró una mayor eficiencia mediante sus sistemas automatizados y su característica de encendido de conmutación sin voltaje (ZVS) y apagado de bajo dv/dt. Esta característica evita la pérdida de energía por conmutación.

Beneficios del estudio de carga inalámbrica mejorada

El estudio de carga inalámbrica ofrece numerosos beneficios al mercado. En primer lugar, brinda una alternativa de bajo costo al statu quo que mejora el rendimiento. Además, el diseño minimalista ofrece más configuraciones de control que permiten la adaptación en tiempo real a los escenarios de uso.

Entrega de energía estable

El principal beneficio que ofrece la solución de carga mejorada es una entrega de energía fiable y estable. Este beneficio es crucial para crear dispositivos electrónicos más eficaces y útiles. El sistema mejorado superó a sus predecesores y produce un flujo de energía estable con una pérdida mínima.

No se necesitan componentes de energía

Otro beneficio importante de esta investigación es la eliminación de componentes de energía adicionales. El nuevo RTR no requiere un sistema complejo ni baterías, condensadores u otros componentes de energía voluminosos que aumenten el factor de forma de la unidad.

No se necesita lógica de control

En la misma línea de pensamiento, el RTR mejorado elimina la necesidad de integrar circuitería de retroalimentación compleja. Se ahorra mucha energía y espacio, eliminando la necesidad de sistemas de comunicación transmisor‑receptor. El resultado son unidades más pequeñas y duraderas.

Aplicaciones del sistema de carga inalámbrica mejorada

Existen aplicaciones casi infinitas para los sistemas de carga inalámbrica de alto rendimiento. Además de alimentar su vehículo eléctrico, teléfono o reloj, estas unidades podrían suministrar energía a computadoras, sensores y una variedad de dispositivos para simplificar la vida de miles de millones de personas. A continuación, algunas de las posibles aplicaciones de estaciones de carga inalámbrica de alto rendimiento.

Médico

La industria médica podría utilizar esta tecnología para crear procesos de monitoreo y tratamiento más eficaces. Estos dispositivos podrían ofrecer cobertura 24 h/7 d a los pacientes. Ya, los ingenieros han estudiado wearables, implantes y otros dispositivos médicos críticos que podrían usar esta tecnología para mejorar sus capacidades.

Logística

Otra industria que podría beneficiarse de las capacidades mejoradas de carga inalámbrica es el sector logístico. El sector logístico podría aprovechar este estudio para mejorar sus sistemas de seguimiento, incluidos los dispositivos IoT. Estos dispositivos podrían ofrecer monitoreo continuo a un nivel completamente nuevo mediante soluciones de carga inalámbrica. En el futuro, sus artículos estarán seguros gracias a sensores IoT en almacenes, camiones y tiendas.

Investigadores del sistema de carga inalámbrica mejorada

El estudio de carga inalámbrica fue liderado por investigadores de la Universidad Nacional de Incheon, Incheon, Corea, con la ayuda de un equipo de la Universidad de Auckland, Auckland. Específicamente, Saidul Alam Chowdhury, Seongmin Kim, Sangwon Kim, Inkui Cho y Duk Ju Ahn contribuyeron al artículo. Ahora, el equipo busca ampliar las capacidades de su sistema de carga y reducir sus costos, permitiendo una integración a gran escala.

Empresas líderes en carga inalámbrica

El auge de las opciones de carga inalámbrica ha llevado a que varias empresas se conviertan en actores dominantes del mercado. Estas compañías se especializan en I&D y continúan introduciendo dispositivos más capaces y asequibles. Aquí hay una empresa que está posicionada para asegurar retornos de inversión significativos gracias a cualquier gran avance tecnológico en la industria.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) ingresó al mercado en 2012. Fue fundada en San José, CA, y desde entonces ha crecido hasta convertirse en un proveedor líder de sistemas de carga inalámbrica. Actualmente, la empresa ofrece una amplia selección de soluciones de carga inalámbrica que van desde almohadillas tradicionales hasta soluciones de carga inalámbrica de largo alcance para almacenes.

El producto principal de Energous Corporation es la red de energía inalámbrica WattUp. Estos dispositivos funcionan con unidades IoT para proporcionar carga inteligente de largo alcance. Utiliza carga basada en radiofrecuencia y es compatible con una gran variedad de dispositivos IoT y otros electrónicos.

WATT se considera una adición sólida a su cartera por varias razones clave. En primer lugar, la acción ha experimentado movimientos positivos recientes. El papel de liderazgo de la empresa en el sector de carga inalámbrica, junto con las prometidas actualizaciones tecnológicas, está impulsando este crecimiento.

Actualmente, WATT tiene una capitalización de mercado de $10,791 M y un rango de 52 semanas de 0,2800 a 2,7000. Aquellos que busquen un fabricante de estaciones de carga de buena reputación deberían considerar investigar más a fondo a Energous Corp y sus ofertas.

Últimas noticias sobre Energous Corporation

La carga inalámbrica será el estándar eventualmente.

No hay duda de que, en el momento en que la carga inalámbrica alcance a las alternativas con cable, se convertirá en el estándar. El ahorro de costos, la comodidad y la flexibilidad continúan haciendo que la carga inalámbrica sea la opción preferida tanto para usuarios como para fabricantes. Por lo tanto, es posible que no esté muy lejos de nunca más necesitar buscar un cable de carga o una batería.

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Referencia del estudio:

^{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}