I caricabatterie wireless raggiungono la gamma dei megahertz

Questo articolo fa parte della nostra esclusiva serie IEEE Journal Watch in collaborazione con IEEE Xplore.

Molte persone aspettano con impazienza il giorno in cui potranno smettere di frugare tra una pila di vecchi cavi di ricarica per trovare quello di cui hanno bisogno. Ma nonostante l’attuale successo nella ricarica wireless di piccoli dispositivi come i telefoni, ci sono diverse sfide tecnologiche che devono essere affrontate prima di poter passare completamente al wireless, in particolare quando si tratta di dispositivi elettronici che consumano più energia.

In uno studio pubblicato il 23 gennaio sull’IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, gli esperti del settore delineano alcuni modi per superare queste barriere, tra cui il trasferimento di più energia a frequenze più elevate e l’ottimizzazione dell’efficienza di ricarica senza surriscaldare le batterie.

Shu-Yuen Ron Hui, professore alla scuola di ingegneria elettrica ed elettronica della Nanyang Technological University, è stato coinvolto nello studio e ha lavorato per decenni per standardizzare la tecnologia di trasferimento di potenza wireless (WPT). Hui afferma che gli standard iniziali del WPT rilasciati nel 2010 si concentravano semplicemente sulla garanzia che i trasmettitori di un'azienda fossero compatibili con i ricevitori di un'altra azienda. "Tuttavia, le prestazioni ottimali come la massima efficienza e il tempo di ricarica minimo non erano la massima priorità", osserva.

Uno dei principali ostacoli al raggiungimento di un’elevata efficienza con il WPT è il limite termico delle batterie. In genere, le batterie richiedono un input costante di tensione e corrente per essere caricate, ma ciò può surriscaldare la batteria a livelli pericolosi. Per motivi di sicurezza, i caricabatterie commerciali ridurranno o addirittura interromperanno la corrente di carica quando la temperatura superficiale della batteria raggiunge il limite superiore (tipicamente 45 °C).

Per risolvere questo problema, Hui e i suoi colleghi hanno sviluppato una nuova tecnica di controllo della corrente regolata dalla temperatura che riduce il tempo di ricarica senza surriscaldare la batteria. Se questa tecnica venisse ampiamente adottata dai produttori di elettronica WPT, potrebbe contribuire ad aumentare l’efficienza di ricarica della tecnologia.

Una seconda sfida è trasferire più potenza contemporaneamente. La tecnologia WPT trasferisce energia utilizzando un campo elettromagnetico e più energia può essere trasferita in un dato intervallo di tempo utilizzando frequenze elettromagnetiche più elevate. Tuttavia, ciò richiede hardware in grado di controllare il trasferimento di potenza a velocità eccezionalmente elevate.

Mentre i gate driver esistenti hanno una latenza di circa 100 nanosecondi, Hui ne ha sviluppato uno con una latenza di soli 6 ns. Anche il nuovo gate driver, sviluppato in collaborazione con il collega di Hui Cheng Zhang, presso l'Università di Manchester, consente la commutazione graduale. Questa è una tecnica che riduce le perdite di commutazione e lo stress negli interruttori di potenza, consentendo l'utilizzo del gate driver a frequenze molto più elevate. Attualmente, la maggior parte degli inverter di potenza del WPT funziona a meno di 1 megahertz, ma la recente invenzione del team può arrivare fino a decine di megahertz.

Nel loro articolo, i ricercatori evidenziano un altro modo fondamentale per ottimizzare la tecnologia WPT. Chiedono ai produttori di trasmettitori di incorporare una tecnologia di monitoraggio dell’efficienza che possa aiutare a ottimizzare il processo di ricarica. Un metodo recentemente sviluppato dal team di Hui può controllare i trasmettitori per seguire dinamicamente il punto operativo di massima efficienza del sistema WPT mentre la batteria viene caricata. Di conseguenza, l’efficienza del sistema WPT è ottimizzata per l’intero processo di ricarica.

Insieme, queste nuove tecnologie potrebbero aprire una nuova era per la tecnologia WPT. Attualmente sono in vigore standard per la ricarica di piccoli dispositivi, come i telefoni cellulari, che richiedono 15 watt o meno, e sono in corso piani per creare standard per dispositivi di media potenza che richiedono circa 200 W, come strumenti portatili, biciclette elettriche e computer portatili.

Ma è ancora necessario gettare le basi per un’elettronica più grande e più assetata di energia, e Hui e i suoi colleghi intendono continuare ad andare avanti.

"Siamo attualmente alla ricerca di un partner industriale per sviluppare e valutare i circuiti di gate-drive ultraveloci [da noi sviluppati] che consentono agli inverter di potenza di funzionare fino ad almeno 20 MHz", afferma Hui, sottolineando che il suo team ha anche depositato un brevetto per un risonatore WPT stampato con una frequenza operativa compresa tra 1 megahertz e decine di megahertz, che potrebbe aiutare l'elettronica a trasferire potenza wireless nell'intervallo di centinaia di watt.