jueves, 22 de agosto de 2024

Estandares de WPT

  se propuso un nuevo libro de códigos de dominio polar []

, incluso si se eligen componentes que cumplen con los estándares, aún se está lejos de considerar estos sistemas listos para usar. Dependiendo del método WPT elegido, siempre se requiere cierto grado de actividad de diseño . [4] 

Estándares

El Consorcio de Energía Inalámbrica (WPC) [4]

es un grupo de desarrollo de estándares abiertos con más de 400 empresas miembro en todo el mundo. Suministra una amplia gama de sistemas de transmisión de energía. El WPC desarrolla cuatro estándares: el estándar Qi [4] el estándar Ki Cordless Kitchen [4] el estándar para vehículos eléctricos ligeros (VEI) y el estándar industria[4]

en 2015 se habían desarrollado tres estándares para la transferencia inalámbrica de energía: - estándar Q [92]
PMA (Alianza sobre Asuntos de Energía); - A4WP (Alianza para la Energía Inalámbrica)
Sin embargo, en 2015, PMA y A4WP se fusionaron para formar una organización, el estándar AirFuel Alliance [93]

Los líderes son Wireless Power Consortium (el estándar Qi) y AirFuel lianza (AFA) (estándares Rezence), organizaciones competidoras que intentan desarrollar estándares internacionales en campo cercano, permiten la transferencia de energía de 70 W en decenas de milímetros. [0] 
a FCC sólo ha aprobado transmisores de potencia de dos empresas, es decir, los transmisores Mid Field Wattup de Energous y los transmisores PowerSpot de PowerCast. [0] 

Qi

Qi,  Este estándar es el estándar líder en transferencia de energía y está dedicado a dicha transferencia basada en la tecnología IPT [75] permite cargar dispositivos con una potencia de 5 a 15 W
aumentar la potencia de carga de 30 a 60 W,  permitirá la alimentación inalámbrica para ordenadores portátiles y tabletas [75]
El estándar Qi distingue tres tipos de transmisores que permiten obtener el efecto de carga deseado [92]: posicionamiento guiado, posicionamiento libre (moviendo la bobina primaria) y posicionamiento libre (la matriz de la bobina Qi).

El estándar básico de Qi se basa en el método IPT. Se establece un enlace de comunicación bidireccional mediante modulación de carga a través de las bobinas con modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), eliminando así la necesidad de un sistema de radio complementario. El estándar está desarrollado para teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles y puede transferir hasta 30 W [4]
Una futura ampliación de la especificación proporcionará hasta 60 W para permitir, por ejemplo, la carga de ordenadores portátiles La frecuencia de funcionamiento oscila entre 87 y 205 kHz [4]
El sistema de transferencia de potencia de la especificación Qi se basa en una sola bobina en el transmisor de potencia con un diámetro exterior de 50 mm y una bobina en el receptor con un diámetro exterior de 40 mm. En un caso de uso típico, el receptor se coloca sobre la superficie superior de un transmisor con sus bobinas alineadas. Idealmente, las bobinas deberían estar perfectamente alineadas para una máxima transferencia de potencia, pero una desalineación de varios milímetros no supone un problema. [4]
La especificación también incluye el apagado del WPT cuando la eficiencia disminuye debido, por ejemplo, a
una desalineación y cuando se detectan objetos extraños, como metales, que pueden causar problemas de seguridad [4]
Todos los receptores Qi que se han integrado recientemente en diversos dispositivos pueden
cargarse en los modos "inductivo" y "resonante". Es el transmisor (cargador inalámbrico) el que define el
modo de funcionamiento . La mayoría de los transmisores Qi utilizan un acoplamiento estrecho entre bobinas. En esta configuración, los mejores resultados se obtienen operando el transmisor a una frecuencia ligeramente diferente de la frecuencia de resonancia del receptor Qi. El funcionamiento fuera de resonancia proporciona la máxima potencia con la mejor eficiencia. En este caso, el sistema opera en el modo "inductivo"   A medida que aumenta la distancia entre el receptor y el transmisor, disminuye
el acoplamiento magnético entre las bobinas. Los sistemas con un factor de acoplamiento bajo deben
operar a la frecuencia de resonancia del receptor. En este caso, el sistema está en el modo "resonante[4]
 
Los sistemas débilmente acoplados compensan la transferencia de potencia a mayor distancia con menor
eficiencia y mayores emisiones electromagnéticas. Estos sistemas pueden ser adecuados en aplicaciones
donde no resulta práctico tener bobinas alineadas con precisión, pero menos adecuados en aplicaciones con
requisitos de EMI o eficiencia. [4]


n
Principales estándares y tecnologías en carga inalámbrica. [0]Estándares Qi versus AirFuel de transferencia de energía inalámbrica inductiva. [61]
Estándar AirFuel 
 
AFA

La AirFuel Alliance es la fusión de dos grupos de normalización anteriores, PMA (Power Matters Alliance) y A4WP (Alliance for Wireless Power). La organización se centra sobre la creación de estándares de potencia inalámbrica basados en resonancia magnética y transmisión por radiofrecuencia [4]

La especificación del sistema de línea base resonante IEC 63028 Airfuel Alliance
describe los requisitos técnicos, comportamientos e interfaces utilizados para garantizar la interoperabilidad
de los sistemas WPT con bobinas débilmente acopladas a la frecuencia de 6,78 MHz. El transmisor y el
receptor se denominan, respectivamente: Unidad de Transmisión de Potencia (PTU) y Unidad de
Recepción de Potencia (PRU). [4]
 
La AirFuel Alliance utiliza Bluetooth de baja energía (BLE) para la comunicación entre el receptor y el transmisor, a diferencia del estándar Qi, donde la comunicación se realiza mediante bobinas emparejadas. Las principales ventajas son una mayor libertad de espacio y la carga multidispositivo [4]

La especificación de carga inalámbrica (WLC) describe el estándar creado por el foro de comunicaciones de campo cercano (NFC) para cargar pequeños dispositivos electrónicos de consumo o dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) alimentados por batería a través de un teléfono inteligente. El sistema utiliza el mecanismo de acoplamiento por resonancia magnética (MRC). El WLC permite tanto la comunicación como la recarga con una tasa de transferencia de energía clasificada en cuatro clases de potencia: 250, 500, 750 y 1000 mW en una frecuencia de 13,56 MHz. Estas potencias permitirán la carga de dispositivos como relojes inteligentes y auriculares inalámbricos [4]
. Durante el intercambio de energía, la tasa de datos de 106 kbps se mantiene en comparación con el máximo de 424 kbps del estándar NFC [4]

Estándar ARIB STD-T113
La Asociación de Industrias y Negocios de Radio (ARIB) define los sistemas de transmisión de energía
inalámbrica en el estándar ARIB STD-T113 [4]
ste estándar, en su extensión inicial, constaba de solo
dos partes. La Parte 1 especifica el sistema WPT de acoplamiento capacitivo que utiliza ondas
electromagnéticas a 400 kHz para recargar energía eléctrica o alimentar dispositivos móviles. La Parte 2
especifica el sistema WPT de acoplamiento por resonancia magnética que utiliza ondas de radio de 6,78
MHz. El estándar en la Parte 2 hace referencia a la “Especificación del Sistema de Transferencia de Energía
Inalámbrica A4WP”. [4]

Posteriormente, se añadió la Parte 3, que especifica un sistema WPT no especificado
basado en el acoplamiento superficial del campo electromagnético de microondas en la banda de 2,4 GHz  [4] 


el estándar AirFuel Alliance ha sido adoptado por empresas como Duracell, Starbucks, Flextronics, Samsung Electronics, Toshiba Corporation, etc [93]  se especializa principalmente en tecnologías AirFuel Resonant y resonancia de energía RF. [75] Esta tecnología permite la transmisión de energía a largas distancias (hasta varios metros) entre el transmisor y el receptor a una frecuencia de 6,78 MHz [75]



Los sistemas TIP aún no están completamente estandarizados en cuanto a EMC (compatibilidad electromagnética) y EMI, y el proceso está en curso. Los principales organismos internacionales de normalización son ITU-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones-Sector de Radiocomunicaciones), IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques), ETSI (Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones), CEPT (Europa Conferencia de Administraciones Postales y de Telecomunicaciones), FCC ( Comisión Federal de Comunicaciones: Parte 15 y Parte 18) y algunos otros organismos nacionales. [15]

Existen diferentes especificaciones de sistemas UWPT sin un estándar claro hasta el momento para cumplir con los requisitos de suministro de energía de diferentes diámetros, modelos y niveles de potencia de los UUV [41]

La estandarización relacionada con la carga de vehículos eléctricos se puede dividir en tres áreas: estándares para los componentes de carga de vehículos eléctricos, estándares para la integración con la red EVGI (Electric Vehicle Grid Integration) y estándares de seguridad [95][97][98]. 

La principal organización que estandariza los vehículos totalmente eléctricos es la Organización Internacional de Normalización (ISO), mientras que existen muchas otras organizaciones que estandarizan los componentes de los sistemas de carga de vehículos eléctricos [97].

Existen varios estándares disponibles en el mundo para la carga de la infraestructura de vehículos eléctricos. SAE e IEEE son utilizados por los fabricantes de componentes de vehículos con sede en EE. UU., mientras que IEC es ampliamente utilizado en Europa [65]. A su vez, Japón utiliza los estándares CHAdeMO y China-Guobiao (GB/T). Información detallada sobre la estandarización antes mencionada se encuentra en

se describe, entre otros, en los artículos [95][97][98]. Las normas definidas como IEC/ISO [97][99] se aplican a las normas más importantes para 
Estandares WPT para vehículos eléctricos
Hay ocho estándares para la transferencia de energía inalámbrica en vehículos eléctricos [75]

SAE J2954

 especificación general para la TIP   Cubren la compatibilidad electromagnética, el campo electromagnético, la seguridad, las pruebas [75]
 SAE J2954 es el estándar para cargadores inalámbricos inductivos aplicados a vehículos livianos [112]
Esta norma impone algunas limitaciones sobre las dimensiones de las bobinas, el espacio o la eficiencia [102]

la norma SAE J2954 define las prestaciones que se deben alcanzar incluso cuando ocurre el desalineamiento. En concreto, especifica que el eje X contara con una tolerancia de ´ ±75 mm, inferior a la tolerancia del eje Y, donde se propone un valor de ±100 mm. En cuanto al eje Z, se determinara´ acorde con cada tipo de cargador WPT, respetando que la diferencia entre el valor nominal de Z y la variacion de ´ posicion del punto inferior del espacio de separaci ´ on, debe ´ ser mayor que la diferencia entre el valor nominal de Z y la variacion de la posici ´ on superior del espacio de separaci ´ on. [3]

SAE J2894/1

 contiene las recomendaciones para el diseño de dispositivos de transferencia de energía que permiten el mantenimiento de una alta calidad de energía [75]
SAE J2847/6

está dedicado a la comunicación entre el transmisor y el receptor y sistematiza los tipos de mensajes que pueden enviarse. [75]
SAE J2931/6: ICNIRP 2010
proporciona directrices sobre cómo limitar los efectos de las descargas eléctricas y Campos magnéticos sobre la salud humana [75]
ISO 14117:2012
define el procedimiento para los trabajadores.  con marcapasos implantados. Esta norma propone diferentes escenarios para la realización una evaluación de riesgos. Si un empleado tiene otros dispositivos médicos implantables activos (AIMD) [75]

ISO/PAS 19363:2017

vehículos de carretera propulsados eléctricamente – transferencia de energía inalámbrica de campo magnético – requisitos de seguridad e interoperabilidad [1]

 especifica los requisitos y el funcionamiento del equipo a bordo del vehículo, que permite la transferencia inalámbrica de energía en un campo magnético para la carga. Baterías de tracción para vehículos eléctricos. Está destinado a su uso en turismos y vehículos comerciales ligeros. Esta norma se centra, entre otros, en la potencia transferida, la distancia
los requisitos de interoperabilidad, entre dispositivos EV (vehículos eléctricos) clasificados de manera diferente y sistemas relacionados fuera  vehículos, los requisitos de rendimiento en diferentes condiciones, incluidas aquellas entre  diferentes fabricantes y clasificaciones, requisitos de seguridad y procedimientos de prueba [75]

ISO 15118

regula el método de intercambio de información y energía. entre los coches eléctricos, el almacenamiento de energía y la red eléctrica del operador [75]
IEC 61980
sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT) de vehículos eléctricos [1]

IEC61980–1

se refiere a un dispositivo de suministro de energía para la carga de vehículos eléctricos mediante métodos inalámbricos con tensiones nominales normalizadas de acuerdo con la norma IEC 60038 de hasta 1000 V CA y hasta 1500 V CC. Esta norma especifica, entre otras cosas, las características y condiciones de funcionamiento del dispositivo de suministro de energía, la especificación del nivel requerido de seguridad eléctrica para el dispositivo de suministro de energía, la comunicación entre el dispositivo y el vehículo para encender y controlar la PTO (toma de fuerza), el rendimiento del sistema, la ubicación mutua y otras condiciones que permiten la transferencia de energía inalámbrica, y los requisitos específicos de compatibilidad electromagnética (EMC) para el dispositivo de suministro. [75]

 IEC 63245

 (transferencia de energía inalámbrica espacial basada en resonancias magnéticas múltiples), [1]

 BS EN 62827

 (transferencia de energía inalámbrica)




Bibliografia
[0]  J. Huang, Y. Zhou, Z. Ning, and H. Gharavi, “Wireless Power Transfer and Energy Harvesting: Current Status and Future Prospects,” IEEE Wirel Commun, vol. 26, no. 4, pp. 163–169, Aug. 2019, doi: 10.1109/MWC.2019.1800378.
[1] D. Yao, B. Gao, H. Qiang, X. Wang, K. Wen, and D. Wang, “Laser wireless power transfer and thermal regulation method driven by transient laser grating,” AIP Adv, vol. 12, no. 10, Oct. 2022, doi: 10.1063/5.0106968.
 [2] M. Cui and L. Dai, “Channel estimation for extremely large-scale
[3]  J. C. Quirós, A. Triviño, and J. M. González-González, “ESTUDIO DE UN CARGADOR INALAMBRICO SAE J-2954 ANTE DESALINEAMIENTOS.”
MIMO: Far-field or near-field?” IEEE Trans. Commun., vol. 70, no. 4,
pp. 2663–2677, Apr. 2022.
[4] Methods, Standards and Components for Wireless Communications and Power Transfer Aimed at Intra-Vehicular Applications of Launchers
[75] K. Detka and K. Górecki, “Wireless Power Transfer—A Review,” Energies (Basel), vol. 15, no. 19, 2022, doi: 10.3390/en15197236.
 [92] K. Detka and K. G´orecki, “Wireless power transfer—a review,”
Energies, vol. 15, no. 19, 2022. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/19/7236

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