Cumpliendo la promesa de la verdadera tecnología de energía inalámbrica

Nos estamos acostumbrando cada vez más a suministrar energía a través de una interfaz inalámbrica en aplicaciones tan variadas como cargadores de auriculares y placas de inducción, pero ¿hasta dónde puede llevarnos esta tecnología? ¿Alguna vez podremos cargar un automóvil sin enchufar un cable o llevar la energía de la red a lugares remotos sin plantar torres de alta tensión ni cavar zanjas?

Hay dos formas principales de suministro de energía inalámbrica. El primero implica acoplar estrechamente un transmisor y un receptor formando un campo eléctrico o magnético entre ellos y luego usarlo para transferir energía de uno a otro. Algunos esquemas de transferencia de energía estrechamente acoplados utilizan un campo eléctrico para acoplar dos electrodos. Muchos más, como las placas de inducción, los cepillos de dientes eléctricos y los cargadores de teléfonos inalámbricos, crean un campo electromagnético en el transmisor y luego usan ese campo para inducir una corriente eléctrica en un receptor cercano, que luego puede actuar, como cargar una batería.

El segundo enfoque principal es el acoplamiento radiativo, que implica dirigir un haz de energía, a menudo en forma de ondas de radio de alta frecuencia, a un receptor que está altamente sintonizado para capturar tanta energía como sea posible.

La alineación entre el emisor y el receptor es muy importante para una transferencia de energía eficiente. (Imagen:Molex Ventures)

Cada enfoque tiene ventajas y limitaciones, siendo la eficiencia de la transferencia de energía y el rango de transmisión dos de las medidas de mérito más importantes. Para esquemas estrechamente acoplados, la alineación entre el emisor y el receptor es muy importante para una transferencia de energía eficiente. Si ha utilizado una placa de inducción, lo sabrá instintivamente, ya que una sartén deja de calentarse inmediatamente cuando se mueve desde el centro marcado de su anillo. Es posible que también haya notado la gran cantidad de imanes que están incrustados en la parte posterior de los últimos teléfonos inteligentes para garantizar que el disco de carga inalámbrico esté perfectamente alineado con la bobina del receptor del teléfono. Dado que los tiempos de carga son tan vitales para la utilidad percibida de los nuevos teléfonos móviles, garantizar que la carga inalámbrica sea lo más eficaz posible vale la pena el esfuerzo de ingeniería y los costos de fabricación por unidad.

Vemos desafíos similares a una escala mucho mayor con los esfuerzos por desarrollar estándares para la carga inalámbrica de vehículos eléctricos. Una encuesta reciente de empresas automotrices realizada por Molex reveló que el 36 por ciento de los encuestados cree que, para 2030, la carga inalámbrica será una característica estándar. En los teléfonos móviles, las tasas de carga se miden en decenas de vatios. Sin embargo, los vehículos eléctricos (EV) necesitan tasas de carga de 50KW a 250KW para convertirse en alternativas prácticas a los vehículos con motor de combustión interna para viajes largos. Conseguir la alineación correcta entre la bobina de transmisión en el suelo y la bobina de captación debajo del automóvil será muy importante. Después de todo, las pérdidas de transferencia de un pequeño porcentaje debido a una mala alineación podrían significar que cientos de vatios de potencia se disipen como calor inútil en la interfaz entre las bobinas de transmisión del cargador y el receptor del vehículo.

¿Un concepto de carriles de carga inalámbrica para vehículos eléctricos? (Imagen:Molex Ventures)

SAE International ya ha publicado un estándar (J2954_202010) para abordar muchos de los problemas relacionados con la carga inalámbrica de vehículos. Establece criterios para la interoperabilidad, compatibilidad electromagnética, EMF, rendimiento, seguridad y pruebas de los sistemas inalámbricos de transferencia de energía para su uso en vehículos eléctricos enchufables de servicio liviano. La especificación está pensada para su uso en aplicaciones de carga estacionarias, aunque es posible que se consideren aplicaciones dinámicas en el futuro. En su forma actual, se limita a las plataformas de carga sobre el suelo y no cubre las instalaciones empotradas.

El estándar SAE J2954 también define un enfoque de alineación que ayudará a los conductores a alinear sus vehículos con la plataforma de carga, para garantizar una transferencia de energía eficiente, además de proporcionar la infraestructura para que los automóviles hagan esto de forma autónoma en el futuro. Pero se necesitará una buena ingeniería y mucha disciplina del usuario para garantizar que la carga inalámbrica sea tan fácil y rápida como debe ser para desplazar el comportamiento rutinario del usuario de simplemente enchufar el automóvil como si estuviera en una gasolinera.

La carga inalámbrica para teléfonos móviles en automóviles es quizás la mejor ilustración hasta la fecha de la incierta promesa de la transferencia de energía inalámbrica en la actualidad. En pocas palabras:solo funciona cuando el teléfono se coloca en un lugar en particular para garantizar una fuerte alineación entre las bobinas del transmisor y del receptor.

Varias formas de almohadillas de carga. De izquierda a derecha:soporte de carga inalámbrica, plataforma de carga inalámbrica y portavasos de carga inalámbrica (Imagen:Molex Ventures)

Los usuarios de teléfonos móviles no son tan indulgentes, por lo que los teléfonos inteligentes más nuevos tienen imanes tan potentes detrás de la carcasa para facilitar la alineación. Pero este tipo de carga inalámbrica sigue siendo una experiencia parcialmente conectada:debe ir a donde se encuentra la plataforma de carga. Una mejor experiencia de usuario implicaría poder cargar un dispositivo en cualquier lugar en un volumen específico, sin la necesidad de un acoplamiento estrecho y una alineación precisa con una bobina de carga. Una startup financiada por Molex Ventures llamada Ossia hace exactamente esto, utilizando una estrategia similar a las matrices de antenas MIMO utilizadas en los sistemas avanzados de WiFi y 5G para permitir que la energía se transmita a un dispositivo incluso cuando no está en la línea de visión del transmisor.

En el enfoque de Ossia, un transmisor de potencia envía una señal regular desde su antena para sincronizarla con cualquier dispositivo compatible cercano. Luego, cada receptor envía una señal de baliza que anuncia su presencia y sus necesidades de energía. El transmisor de potencia mide la fase de cada señal de baliza y la utiliza para determinar la dirección en la que debe enviar potencia para una transferencia de energía más eficiente.

Este enfoque funciona con un transmisor de antena única, pero los transmisores de potencia con múltiples antenas pueden medir las fases ligeramente diferentes de la señal de baliza que llega a cada una de ellas, para establecer la ruta de transmisión más eficiente con mayor precisión. El transmisor de potencia puede entonces ajustar la fase y la potencia de salida de cada una de sus antenas para dirigir un haz coherente de energía hacia el receptor. Y esta ruta no tiene que estar en la línea de visión:si la señal de baliza enviada por un receptor de potencia rebotó en una pared en el camino hacia el transmisor, el transmisor de potencia dirigirá su haz de regreso a lo largo de la misma ruta.

Un dispositivo habilitado con el receptor de energía Ossia Cota envía una señal de baliza para ubicar el transmisor de energía Cota que luego entrega energía de forma inalámbrica a través de la misma ruta. (Imagen:Molex Ventures)

El transmisor también puede admitir varios dispositivos dentro de un volumen. Cada receptor dentro de ese volumen mide cuánta energía necesita y envía esta información al transmisor como una solicitud. Luego, el transmisor compara todas las solicitudes de los receptores a los que está atendiendo y asigna pulsos de energía inalámbrica a cada uno de los receptores de acuerdo con sus necesidades.

La promesa de este enfoque, argumenta la compañía, es que una vez que la energía se puede entregar de esta manera, se pueden repensar todo tipo de suposiciones sobre cómo se alimentan los dispositivos en el medio ambiente. El paradigma cambia de la carga inalámbrica a la entrega de energía inalámbrica. Por ejemplo, las alarmas de humo de techo nunca necesitarían una batería nueva y los robots aspiradores cumplirían con su deber sin necesidad de regresar a una estación de acoplamiento voluminosa.

Los teléfonos celulares nos han enseñado que podemos acceder a cualquier cosa desde un dispositivo de mano, una instalación que solo está limitada por el acceso al ancho de banda y los niveles adecuados de carga de la batería. La transferencia de energía inalámbrica parece una forma útil de evitar enchufar un teléfono o un automóvil, pero al final, todavía está atada a la ubicación del cargador. Si resulta práctico alimentar los dispositivos de forma inalámbrica en cualquier lugar dentro de un volumen definido, es posible que veamos que nuestras oportunidades y comportamientos cambian tal como lo hicieron cuando pasamos de los teléfonos fijos a los teléfonos inteligentes.

En última instancia, el cambio vendrá con desarrollos en las tecnologías de soporte, como sensores para ayudar con problemas de alineación o soluciones de gestión térmica para facilitar la carga de alta potencia. Esto requiere experiencia que ofrezca un camino hacia un mundo cada vez más conectado pero sin ataduras.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, EE Times Europe.

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