Беспроводные зарядные устройства достигают мегагерцового диапазона

Эта статья является частью нашей эксклюзивной серии IEEE Journal Watch, созданной в сотрудничестве с IEEE Xplore.

Многие люди с нетерпением ждут того дня, когда они смогут перестать копаться в куче старых зарядных кабелей, чтобы найти тот, который им нужен. Но, несмотря на текущий успех в беспроводной зарядке небольших устройств, таких как телефоны, существует несколько технологических проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем полностью перейти на беспроводную связь, особенно когда речь идет об электронике, которая потребляет больше энергии.

В исследовании, опубликованном 23 января в журнале IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, эксперты в этой области намечают некоторые способы преодоления этих барьеров, в том числе передачу большего количества энергии на более высоких частотах и ​​оптимизацию эффективности зарядки без перегрева батарей.

Шу-Юэнь Рон Хуэй, профессор школы электротехники и электронной инженерии Наньянского технологического университета, принимал участие в исследовании и десятилетиями работал над стандартизацией технологии беспроводной передачи энергии (WPT). Хуэй говорит, что первоначальные стандарты WPT, выпущенные в 2010 году, были просто направлены на обеспечение совместимости передатчиков одной компании с приемниками другой компании. «Однако оптимальные характеристики, такие как максимальная эффективность и минимальное время зарядки, не были главным приоритетом», — отмечает он.

Одним из основных препятствий на пути достижения высокой эффективности с помощью БПЭ является тепловой предел батарей. Обычно для зарядки аккумуляторов требуется постоянная подача напряжения и тока, но это может привести к нагреву аккумулятора до опасного уровня. По соображениям безопасности коммерческие зарядные устройства снижают или даже прекращают зарядный ток, когда температура поверхности аккумулятора достигает верхнего предела (обычно 45 °C).

Чтобы решить эту проблему, Хуэй и его коллеги разработали новый метод контроля тока с температурной регулировкой, который сокращает время зарядки без перегрева аккумулятора. Если этот метод будет широко принят производителями электроники БПЭ, это может помочь повысить эффективность зарядки этой технологии.

Вторая задача – это одновременная передача большего количества власти. Технология WPT передает мощность с помощью электромагнитного поля, и за определенный период времени можно передать больше энергии, используя более высокие электромагнитные частоты. Однако для этого требуется оборудование, способное контролировать передачу энергии на исключительно высоких скоростях.

В то время как существующие драйверы затворов имеют задержку около 100 наносекунд, Хуэй разработал драйвер с задержкой всего 6 нс. Новый драйвер ворот, разработанный совместно с коллегой Хуэя Ченг Чжаном из Манчестерского университета, также обеспечивает мягкое переключение. Это метод, который снижает потери при переключении и нагрузку на силовые ключи, позволяя использовать драйвер затвора на гораздо более высоких частотах. В настоящее время большинство инверторов мощности WPT работают на частоте менее 1 мегагерца, но недавнее изобретение команды может работать на частоте до десятков мегагерц.

В своей статье исследователи выделяют еще один ключевой способ оптимизации технологии БПЭ. Они призывают производителей передатчиков внедрить технологию отслеживания эффективности, которая может помочь оптимизировать процесс зарядки. Один метод, недавно разработанный командой Хуэя, позволяет управлять передатчиками так, чтобы динамически следовать рабочей точке максимальной эффективности системы БПЭ во время зарядки аккумулятора. В результате эффективность системы БПЭ оптимизируется для всего процесса зарядки.

Вместе эти новые технологии могут открыть новую эру для технологии БПЭ. В настоящее время существуют стандарты для зарядки небольших устройств, таких как мобильные телефоны, которым требуется 15 Вт или меньше, и разрабатываются планы по созданию стандартов для устройств средней мощности, которым требуется около 200 Вт, таких как портативные инструменты, электрические велосипеды и ноутбуки.

Но еще предстоит заложить основу для более крупной и энергоемкой электроники, и Хуэй и его коллеги планируют продолжать двигаться вперед.

«В настоящее время мы ищем промышленного партнера для разработки и оценки сверхбыстрых схем управления затвором [разработанных нами], которые позволяют силовым инверторам работать на частоте как минимум до 20 МГц», — говорит Хуэй, отмечая, что его команда также подала патент на напечатан резонатор WPT с рабочей частотой от 1 до десятков мегагерц, который может помочь электронике передавать по беспроводной сети мощность в диапазоне сотен ватт.