Los cargadores inalámbricos alcanzan el rango de megahercios

Este artículo es parte de nuestra serie exclusiva IEEE Journal Watch en asociación con IEEE Xplore.

Muchas personas esperan ansiosamente el día en que puedan dejar de examinar una pila de cables de carga viejos para encontrar el que necesitan. Pero a pesar del éxito actual en la carga inalámbrica de dispositivos pequeños como teléfonos, existen varios desafíos tecnológicos que deben abordarse antes de que podamos volvernos completamente inalámbricos, particularmente cuando se trata de dispositivos electrónicos que consumen más energía.

En un estudio publicado el 23 de enero en el IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, los expertos en el campo describen algunas formas de superar estas barreras, que incluyen transferir más energía a frecuencias más altas y optimizar la eficiencia de carga sin sobrecalentar las baterías.

Shu-Yuen Ron Hui, profesor de la escuela de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad Tecnológica de Nanyang, participó en el estudio y ha estado trabajando durante décadas para estandarizar la tecnología de transferencia de energía inalámbrica (WPT). Hui dice que los estándares WPT iniciales publicados en 2010 simplemente se centraron en garantizar que los transmisores de una empresa fueran compatibles con los receptores de otra empresa. "Sin embargo, el rendimiento óptimo, como la máxima eficiencia y el tiempo mínimo de carga, no era la máxima prioridad", señala.

Un obstáculo importante para lograr una alta eficiencia con WPT es el límite térmico de las baterías. Por lo general, las baterías requieren una entrada constante de voltaje y corriente para cargarse, pero esto puede calentar la batería a niveles peligrosos. Por motivos de seguridad, los cargadores de baterías comerciales reducirán o incluso detendrán la corriente de carga cuando la temperatura de la superficie de la batería alcance su límite superior (normalmente 45 °C).

Para abordar este problema, Hui y sus colegas desarrollaron una nueva técnica de control de corriente regulada por temperatura que reduce el tiempo de carga sin sobrecalentar la batería. Si esta técnica es ampliamente adoptada por los fabricantes de electrónica WPT, podría ayudar a aumentar la eficiencia de carga de la tecnología.

Un segundo desafío es transferir más energía a la vez. La tecnología WPT transfiere energía usando un campo electromagnético, y se puede transferir más energía en un marco de tiempo determinado usando frecuencias electromagnéticas más altas. Sin embargo, esto requiere hardware que pueda controlar la transferencia de energía a velocidades excepcionalmente altas.

Mientras que los controladores de puerta existentes tienen una latencia de unos 100 nanosegundos, Hui ha desarrollado uno con una latencia de solo 6 ns. El nuevo controlador de puerta, desarrollado conjuntamente con el colega de Hui, Cheng Zhang, en la Universidad de Manchester, también logra una conmutación suave. Esta es una técnica que reduce la pérdida de conmutación y el estrés en los interruptores de potencia, lo que permite el uso del controlador de puerta a frecuencias mucho más altas. Actualmente, la mayoría de los inversores de potencia WPT funcionan a menos de 1 megahercio, pero el reciente invento del equipo puede alcanzar decenas de megahercios.

En su artículo, los investigadores destacan otra forma clave de optimizar la tecnología WPT. Piden a los fabricantes de transmisores que incorporen tecnología de seguimiento de eficiencia que pueda ayudar a optimizar el proceso de carga. Un método desarrollado recientemente por el equipo de Hui puede controlar los transmisores para que sigan dinámicamente el punto de funcionamiento de máxima eficiencia del sistema WPT a medida que se carga la batería. Como resultado, la eficiencia del sistema WPT se optimiza para todo el proceso de carga.

Juntas, estas nuevas tecnologías podrían abrir una nueva era para la tecnología WPT. Actualmente, existen estándares para cargar dispositivos pequeños, como teléfonos móviles, que requieren 15 vatios o menos, y hay planes en marcha para crear estándares para dispositivos de potencia media que requieren alrededor de 200 W, como herramientas portátiles, bicicletas eléctricas y computadoras portátiles

Pero aún es necesario sentar las bases para una electrónica más grande y que consuma más energía, y Hui y sus colegas planean seguir avanzando.

"Actualmente estamos buscando un socio industrial para desarrollar y evaluar los circuitos de control de compuerta ultrarrápidos [que desarrollamos] que permiten que los inversores de potencia funcionen hasta al menos 20 MHz", dice Hui, señalando que su equipo también ha presentado una patente para un resonador WPT impreso con una frecuencia operativa en el rango de 1 megahercio a decenas de megahercios, lo que podría ayudar a la electrónica a transferir energía inalámbrica en el rango de cientos de vatios.