Les chargeurs sans fil atteignent la gamme mégahertz

Cet article fait partie de notre série exclusive IEEE Journal Watch en partenariat avec IEEE Xplore.

Beaucoup de gens attendent avec impatience le jour où ils pourront arrêter de passer au crible une pile de vieux câbles de charge pour trouver celui dont ils ont besoin. Mais malgré le succès actuel de la recharge sans fil de petits appareils comme les téléphones, plusieurs défis technologiques doivent être relevés avant de pouvoir passer complètement au sans fil, en particulier lorsqu'il s'agit d'appareils électroniques plus gourmands en énergie.

Dans une étude publiée le 23 janvier dans le IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, des experts du domaine décrivent quelques moyens de surmonter ces obstacles, notamment le transfert de plus d'énergie à des fréquences plus élevées et l'optimisation de l'efficacité de charge sans surchauffe des batteries.

Shu-Yuen Ron Hui, professeur à l'école d'ingénierie électrique et électronique de l'Université technologique de Nanyang, a participé à l'étude et travaille depuis des décennies à normaliser la technologie de transfert d'énergie sans fil (WPT). Hui dit que les normes WPT initiales publiées en 2010 visaient simplement à garantir que les émetteurs d'une entreprise étaient compatibles avec les récepteurs d'une autre entreprise. "Cependant, des performances optimales telles qu'une efficacité maximale et un temps de charge minimum n'étaient pas la priorité absolue", note-t-il.

L'un des principaux obstacles à l'obtention d'un rendement élevé avec WPT est la limite thermique des batteries. En règle générale, les batteries nécessitent une entrée constante de tension et de courant pour être chargées, mais cela peut chauffer la batterie à des niveaux dangereux. Pour des raisons de sécurité, les chargeurs de batterie commerciaux réduisent ou même arrêtent le courant de charge lorsque la température de surface de la batterie atteint sa limite supérieure (généralement 45 °C).

Pour résoudre ce problème, Hui et ses collègues ont développé une nouvelle technique de contrôle du courant à régulation de température qui réduit le temps de charge sans surchauffer la batterie. Si cette technique est largement adoptée par les fabricants d'électronique WPT, elle pourrait contribuer à augmenter l'efficacité de charge de la technologie.

Un deuxième défi consiste à transférer plus de puissance à la fois. La technologie WPT transfère la puissance à l'aide d'un champ électromagnétique, et plus de puissance peut être transférée dans un laps de temps donné en utilisant des fréquences électromagnétiques plus élevées. Cependant, cela nécessite un matériel capable de contrôler le transfert de puissance à des vitesses exceptionnellement élevées.

Alors que les pilotes de grille existants ont une latence d'environ 100 nanosecondes, Hui en a développé un avec une latence de seulement 6 ns. Le nouveau pilote de porte, co-développé avec le collègue de Hui, Cheng Zhang, à l'Université de Manchester, réalise également une commutation douce. Il s'agit d'une technique qui réduit les pertes de commutation et les contraintes dans les interrupteurs de puissance, permettant l'utilisation du pilote de grille à des fréquences beaucoup plus élevées. Actuellement, la plupart des onduleurs WPT fonctionnent à moins de 1 mégahertz, mais la récente invention de l'équipe peut aller jusqu'à des dizaines de mégahertz.

Dans leur article, les chercheurs mettent en évidence un autre moyen clé d'optimiser la technologie WPT. Ils demandent aux fabricants d'émetteurs d'intégrer une technologie de suivi de l'efficacité qui peut aider à optimiser le processus de charge. Une méthode récemment développée par l'équipe de Hui peut contrôler les émetteurs pour suivre dynamiquement le point de fonctionnement d'efficacité maximale du système WPT pendant que la batterie est en charge. En conséquence, l'efficacité du système WPT est optimisée pour l'ensemble du processus de charge.

Ensemble, ces nouvelles technologies pourraient ouvrir une nouvelle ère pour la technologie WPT. Actuellement, des normes sont en place pour charger les petits appareils, tels que les téléphones portables, qui nécessitent 15 watts ou moins, et des plans sont en cours pour créer des normes pour les appareils de puissance moyenne qui nécessitent environ 200 W, tels que les outils portables, les vélos électriques et ordinateurs portables.

Mais les bases doivent encore être jetées pour une électronique plus grosse et plus gourmande en énergie, et Hui et ses collègues prévoient de continuer à aller de l'avant.

"Nous recherchons actuellement un partenaire industriel pour développer et évaluer les circuits de commande de grille ultrarapides [que nous avons développés] qui permettent aux onduleurs de puissance de fonctionner jusqu'à au moins 20 MHz", déclare Hui, notant que son équipe a également déposé un brevet pour un résonateur WPT imprimé avec une fréquence de fonctionnement dans la gamme de 1 mégahertz à des dizaines de mégahertz, ce qui pourrait aider l'électronique à transférer de l'énergie sans fil dans la gamme de centaines de watts.