Los sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT) suministran electricidad sin cables, pero a menudo presentan dificultades para mantener la estabilidad del voltaje cuando cambian las cargas. En este contexto, los investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio han desarrollado un método de diseño basado en aprendizaje automático que utiliza optimización numérica para lograr un funcionamiento independiente de la carga. Su enfoque garantiza una tensión de salida estable (fluctuaciones inferiores al 5%) y una alta eficiencia (86,7%) bajo cargas variables. Este avance simplifica el diseño de WPT y podría contribuir a la creación de sistemas de energía inalámbricos más prácticos y fiables para una amplia gama de aplicaciones, como sensores inalámbricos IoT.
Los sistemas de transferencia inalámbrica de energía transmiten energía eléctrica desde una fuente de alimentación a una carga sin conectores físicos ni cables, mediante campos electromagnéticos. Un sistema WPT típico cuenta con una bobina transmisora conectada a una fuente de alimentación. Este transmisor convierte la energía suministrada en un campo electromagnético, que es recibido por una bobina receptora que alimenta un dispositivo eléctrico.
Recientemente, el funcionamiento de voltaje de entrada independiente de la carga (LI) ha cobrado relevancia para mantener la tensión de salida estable y la conmutación a tensión cero (ZVS) incluso cuando la carga varía. Sin embargo, lograr el funcionamiento LI requiere valores muy precisos de los componentes del circuito, como los inductores o condensadores, que suelen calcularse mediante complejas ecuaciones analíticas.
Aprendizaje automático para la estabilidad del sistema
Para superar estas limitaciones y mejorar la eficiencia del suministro de energía, los investigadores han propuesto un método de diseño basado en aprendizaje automático para diseñar un sistema LI-WPT. En este enfoque, el circuito WPT se describe mediante ecuaciones diferenciales que capturan la evolución temporal de los voltajes y las corrientes dentro del sistema, considerando las características reales de los componentes. Estas ecuaciones se resuelven numéricamente, paso a paso, hasta que el sistema alcanza el estado estacionario.
Una función de evaluación evalúa el rendimiento del sistema basándose en objetivos clave, como la estabilidad del voltaje de salida, la eficiencia de suministro de potencia y la distorsión armónica total. Por su parte, un algoritmo genético actualiza los parámetros del sistema para mejorar la puntuación de la evaluación, y el proceso se repite hasta lograr el funcionamiento independiente de la carga deseada.
Para probar su método, el equipo lo aplicó a un sistema WPT de clase EF, que combina un inversor de clase EF con un rectificador de clase D. El inversor de clase EF tradicional sin funcionamiento con voltaje de entrada solo puede mantener la conmutación a tensión cero en su punto de operación nominal. Si la carga cambia, se pierde la conmutación a tensión cero y la eficiencia disminuye. En cambio, la versión con voltaje de entrada diseñada por el equipo de la Universidad de Ciencias de Tokio mantuvo la conmutación a tensión cero y la tensión de salida estables, incluso con variaciones de carga.
Mejora del rendimiento en cargas ligeras
En el sistema convencional del inversor con voltaje de entrada, la tensión de salida podía fluctuar hasta un 18% al cambiar la carga. En cambio, el sistema diseñado con el método completamente numérico mantuvo esta variación por debajo del 5%, demostrando una estabilidad significativamente mayor. Al considerar con precisión los efectos de la capacitancia parásita del diodo, el nuevo enfoque también mantuvo un mejor rendimiento con cargas ligeras.
Un análisis detallado de la pérdida de potencia reveló que la bobina de transmisión disipaba prácticamente la misma cantidad de energía en diferentes condiciones de carga, gracias a la capacidad del sistema para mantener estable la corriente de salida. En su punto de funcionamiento nominal, el sistema de funcionamiento con voltaje de entrada clase-EF WPT alcanzó una eficiencia de suministro de potencia del 86,7% a 6,78 MHz y entregó más de 23 W de potencia de salida.