Через 5 лет провода полностью исчезнут: какой прорыв совершили ученые из Японии

В будущем метод может обеспечить полностью беспроводное питание устройств по всему миру. Статью об исследовании опубликовали в научном журнале IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, передает Interesting Engineering.

Системы беспроводной передачи энергии используются в смартфонах, электрических зубных щетках и датчиках Интернета вещей. Они используют электромагнитные поля для беспроводной передачи электроэнергии без физических разъемов.

Традиционные системы беспроводной передачи энергии (WPT) требуют точных номиналов компонентов катушек индуктивности и конденсаторов для обеспечения стабильной работы. Эти значения обычно определяются на основе сложных аналитических уравнений, основанных на идеализированных условиях.

В реальных условиях на точность расчетов могут негативно повлиять различные факторы или условия окружающей среды. Это приводит к нестабильности выходного напряжения и потере коммутации при нулевом напряжении (ZVS), которая считается критическим фактором эффективности. Независимая от нагрузки работа позволяет поддерживать ZVS и выходное напряжение стабильными даже при изменении нагрузки.

Команда во главе с профессором Хироо Секией использовали новый метод проектирования на основе машинного обучения. Для этого схему работы системы передачи энергии описывают с помощью дифференциальных уравнений, которые отражают изменение напряжений и токов в системе, учитывая характеристики реальных компонентов.

ИИ поочередно решают уравнения, пока система не достигнет стабильности. Затем ее работу оценивают по ключевым показателям: коэффициент полезного действия, коэффициент гармонических искажений и стабильность выходного напряжения. После специальный алгоритм подбирает новые параметры системы так, чтобы эффективность улучшилась. Цикл повторяется до тех пор, пока она не достигнет нужных требований.

Во время испытаний ученые с помощью нового метода спроектировали систему беспроводного питания, которая объединяет инвертор класса EF и выпрямитель класса D. Обычно такой инвертор может поддерживать ZVS лишь на одном уровне, и при любом изменении нагрузки эффективность резко падает. ИИ помог снизить колебания напряжение до менее 5% при различных изменениях нагрузки, хотя обычно достигают только 18%.

Система также успешно справилась с ZVS и высокой эффективностью при различных нагрузках, обеспечив мощность 23 Вт с КПД 86,7% на частоте 6,78 МГц. Производительность системы улучшилась даже при малых нагрузках благодаря точному моделированию паразитной емкости диода.

Потери мощности в передающей катушке оставались практически постоянными при различных нагрузках — признак того, что система поддерживала стабильный выходной ток, что является ключевым фактором эффективности.

Ученые намерены сделать технологии беспроводной передачи электричества массовыми в течение следующих 5-10 лет. По их мнению, новый метод значительно снижает стоимость и размеры требуемого оборудования.

"Мы уверены, что результаты этого исследования являются значительным шагом на пути к полностью беспроводному обществу", — заявил профессор Хироо Секия.

Писали также, что микроволны могут обеспечить беспроводную передачу энергии. Предполагается, что они способны заряжать дроны и самолеты.