Carregadores sem fio atingem a faixa de megahertz

Este artigo faz parte da nossa série exclusiva IEEE Journal Watch em parceria com o IEEE Xplore.

Muitas pessoas estão ansiosas pelo dia em que poderão parar de vasculhar uma pilha de cabos de carregamento antigos para encontrar o que precisam. Mas, apesar do sucesso atual no carregamento sem fio de pequenos dispositivos como telefones, há vários desafios tecnológicos que precisam ser enfrentados antes que possamos nos tornar totalmente sem fio - principalmente quando se trata de eletrônicos que consomem mais energia.

Em um estudo publicado em 23 de janeiro no IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, especialistas da área descrevem algumas maneiras de superar essas barreiras, que incluem transferir mais energia em frequências mais altas e otimizar a eficiência de carregamento sem superaquecer as baterias.

Shu-Yuen Ron Hui, professor da escola de engenharia elétrica e eletrônica da Nanyang Technological University, esteve envolvido no estudo e trabalha há décadas para padronizar a tecnologia de transferência de energia sem fio (WPT). Hui diz que os padrões WPT iniciais lançados em 2010 simplesmente se concentravam em garantir que os transmissores de uma empresa fossem compatíveis com os receptores de outra empresa. "No entanto, o desempenho ideal, como eficiência máxima e tempo mínimo de carregamento, não era a principal prioridade", observa ele.

Um grande obstáculo para alcançar alta eficiência com WPT é o limite térmico das baterias. Normalmente, as baterias exigem uma entrada constante de tensão e corrente para serem carregadas, mas isso pode aquecer a bateria a níveis perigosos. Por motivos de segurança, os carregadores de bateria comerciais reduzem ou até interrompem a corrente de carga quando a temperatura da superfície da bateria atinge seu limite superior (normalmente 45 °C).

Para resolver esse problema, Hui e seus colegas desenvolveram uma nova técnica de controle de corrente regulada por temperatura que diminui o tempo de carregamento sem superaquecer a bateria. Se essa técnica for amplamente adotada pelos fabricantes de eletrônicos WPT, ela poderá ajudar a aumentar a eficiência de carregamento da tecnologia.

Um segundo desafio é transferir mais potência de uma só vez. A tecnologia WPT transfere energia usando um campo eletromagnético, e mais energia pode ser transferida em um determinado período de tempo usando frequências eletromagnéticas mais altas. No entanto, isso requer hardware que pode controlar a transferência de energia em velocidades excepcionalmente altas.

Enquanto os gate drivers existentes têm uma latência de cerca de 100 nanossegundos, a Hui desenvolveu um com uma latência de apenas 6 ns. O novo driver de portão, desenvolvido em conjunto com o colega de Hui, Cheng Zhang, na Universidade de Manchester, também consegue comutação suave. Esta é uma técnica que reduz a perda de comutação e o estresse nas chaves de potência, permitindo o uso do gate driver em frequências muito mais altas. Atualmente, a maioria dos inversores de potência WPT opera em menos de 1 megahertz, mas a recente invenção da equipe pode ir até dezenas de megahertz.

Em seu artigo, os pesquisadores destacam outra maneira importante de otimizar a tecnologia WPT. Eles pedem aos fabricantes de transmissores que incorporem tecnologia de rastreamento de eficiência que pode ajudar a otimizar o processo de carregamento. Um método desenvolvido recentemente pela equipe de Hui pode controlar os transmissores para seguir o ponto operacional de máxima eficiência do sistema WPT dinamicamente enquanto a bateria está sendo carregada. Como resultado, a eficiência do sistema WPT é otimizada para todo o processo de carregamento.

Juntas, essas novas tecnologias podem abrir uma nova era para a tecnologia WPT. Atualmente, existem padrões para carregar dispositivos pequenos, como telefones celulares, que requerem 15 watts ou menos, e planos estão em andamento para criar padrões para dispositivos de média potência que requerem cerca de 200 W, como ferramentas portáteis, bicicletas elétricas e computadores portáteis.

Mas as bases ainda precisam ser lançadas para eletrônicos maiores e com mais consumo de energia, e Hui e seus colegas planejam continuar avançando.

"No momento, estamos procurando um parceiro industrial para desenvolver e avaliar os circuitos ultrarrápidos de gate-drive [que desenvolvemos] que permitem que inversores de potência operem até pelo menos 20 MHz", diz Hui, observando que sua equipe também registrou uma patente para um ressonador WPT impresso com uma frequência operacional na faixa de 1 megahertz a dezenas de megahertz, o que pode ajudar a transferência eletrônica de energia sem fio na faixa de centenas de watts.