Revision: A Multimodal Modulation Scheme for Electric Vehicles’ Wireless Power Transfer Systems, Based on Secondary Impedance

 El autor evalúa los parámetros para EV-WPT usando la inductancia mutua M para la modulación multimodo y regulación del ciclo de trabajo, su sistema se compone de Corrección del Factor de Potencia PFC,  Conversor DC-DC, inversor, compensacion LCC-LCC y bobina transmisora en el transmisor, en el receptor su bobina, una red LCC, un rectificador controlado y un capacitor de filtrado​  Trabaja con una potencia de 10 kW y una salida de 8,5 kW, logrando una eficiencia superior al 85\%, con cálculos detallados para el ajuste de impedancias y compensación resonante

 

En el diseño de sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT) para vehículos eléctricos (EV), la investigación propone un esquema de modulación multimodal basado en la impedancia secundaria. Esto permite mejorar la eficiencia y control de la transferencia de energía al ajustar las condiciones de impedancia durante la operación. 

La estructura del sistema involucra una red de compensación resonante LCC-LCC, con módulos de conversión de energía y bobinas de transmisión y recepción. 

El sistema funciona en fases, comenzando con la conversión de energía en la etapa primaria, seguida de la transferencia de corriente inducida y la rectificación en la etapa secundaria, donde se ajusta el ciclo de trabajo para optimizar la impedancia y maximizar la transferencia de potencia.

El hardware clave incluye un rectificador de puente completo controlado, la red de compensación LCC-LCC, y el uso de bobinas de alta inductancia. Los parámetros logrados incluyen la capacidad de ajustar la eficiencia según el rango de la impedancia secundaria, con una salida de potencia de 8.5 kW en condiciones de alta eficiencia (85-95%).

La metodología utilizada incluye la simulación y experimentación con un prototipo de 10 kW, evaluando distintos modos de impedancia (capacitativo, inductivo y resistivo). Los resultados mostraron que el sistema puede alcanzar la potencia total ajustando el modo de impedancia y el ciclo de trabajo. Conceptos teóricos clave incluyen la compensación resonante, la modulación de impedancia, y el control del ciclo de trabajo. Las aplicaciones de la WPT están enfocadas principalmente en la carga inalámbrica de vehículos eléctricos, permitiendo una mayor automatización y comodidad para los usuario

PFC (Power Factor Correction o Corrección del Factor de Potencia) es una técnica utilizada en sistemas eléctricos para mejorar el factor de potencia de un dispositivo o sistema. El factor de potencia mide la eficiencia con la que se usa la energía eléctrica, y un factor de potencia bajo indica que parte de la energía suministrada no se está utilizando de manera eficiente.

El PFC se utiliza para reducir la cantidad de energía reactiva, que no realiza un trabajo útil pero afecta el suministro eléctrico. Esto se logra alineando la corriente con la tensión de entrada, lo que mejora la eficiencia energética y reduce las pérdidas de energía en el sistema. En el contexto de los sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT), el PFC puede estar presente en los módulos de conversión de energía para asegurar una operación más eficiente y minimizar el impacto en la red eléctrica.

Se evaluaron parámetros y variables eléctricos clave en las etapas secundarias de los sistemas de transferencia inalámbrica de energía de vehículos eléctricos (EV-WPT)

. Los valores límite del ciclo de trabajo, D, del rectificador se derivaron detectando la inductancia mutua, M. Esta modulación multimodal se adoptó, basándose en la fase de impedancia equivalente secundaria, para controlar las condiciones de trabajo de impedancia

. El método propuesto puede modular el rendimiento del sistema antes y durante la transmisión inalámbrica

.El esquema de control propuesto se verificó utilizando un prototipo experimental EV-TIP de 10 kW en modo de trabajo de impedancia capacitiva con una potencia de salida de 8,5 kW

Los ar vehículos de nueva energía, sus estándares internacionales

La topología Serie-Serie (SS) está bien ajustada aquí, pero está asociada con topologías desajustadas, mientras que la red de compensación LCC de doble cara es menos sensible al desajustamiento y es más adecuada para aplicaciones EV-WPT.

studios previos de control

la mayoría de los estudios tratan del diseño y la optimización del proceso de carga bajo una o varias restricciones

Parámetros 

Funcionamiento

Funcionamiento del sistema (Fases): El WPT funciona en tres fases: 

(1) Generación de corriente en el primario; 

(2) Transmisión de energía a través de la bobina transmisora;

 (3) Recepción y rectificación de la energía en el lado secundario, optimizando el ciclo de trabajo para diferentes condiciones de impedancia (capacitiva, inductiva, resistiva

Diagrama de flujo del método de control propuesto

Estructura

l sistema WPT se compone de un lado primario con módulos de conversión de energía (Corrección del Factor de Potencia PFC,  Conversor DC-DC, y un inversor), un circuito de compensación LCC-LCC, y una bobina transmisora. En el lado secundario, se incluyen una red LCC, un rectificador controlado y un capacitor de filtrado

aportes

(1) El rendimiento de salida de amplio rango se puede optimizar controlando el ciclo de trabajo D del rectificador en el lado secundario bajo una frecuencia de trabajo fija.

 (2) El sistema realiza diferentes características eléctricas clave bajo diferentes modos de trabajo de impedancia. 

 (3) El rectificador en el lado secundario funciona de manera óptima bajo el modo de trabajo de impedancia capacitiva y funciona peor bajo el modo de trabajo de impedancia resistiva. 

(4) Bajo el modo de trabajo de impedancia capacitiva, no hay valores de D cuando el valor M está al máximo y el voltaje de salida alcanza el valor pico. 

. (5) Se propuso un esquema de multimodulación, basado en la detección M y el ángulo de fase del lado secundario, y el ciclo de trabajo del rectificador D fue el criterio utilizado para controlar el modo de trabajo de impedancia.

Bibliografia

[1] W. Liu, C. Hu, and L. Xiang, “A Multimodal Modulation Scheme for Electric Vehicles’ Wireless Power Transfer Systems, Based on Secondary Impedance,” Electronics (Switzerland), vol. 11, no. 19, Oct. 2022, doi: 10.3390/electronics11193055.

Revision: Laser wireless power transfer and thermal regulation method driven by transient laser grating

El artículo presenta un sistema laser basado en el efecto Seebeck  BeE-LWPT que calienta periódicamente un área limitada del elemento termoeléctrico con un láser de haz expandido, enfocado en la regulación térmica de la rejilla láser transitoria. Usa una longitud de onda de 375 nm, y un calentador de extremo caliente con placa de cobre. Su eficiencia de conversión es de ~8,48%. La potencia es de 5 W con un haz expandido a un radio de 10 mm . 

Se utilizó simulación por elementos finitos para analizar la respuesta térmica del sistema bajo diferentes configuraciones de láser, validando los resultados experimentales con modelos teóricos.

 

El componente tric es de 40 mm (W) × 40 mm (L) × 3 mm (H), en el que el espesor de la lámina de cobre es de 2 mm y el espesor de la cerámica es de 1 mm

 Definicion de  Basada en el efecto fotovoltaico (PV), la TIP láser tradicional (LWPT)

Su modo de conversión de energía ,Apuntando al área caliente limitada del elemento termoeléctrico calentado periódicamente usando el láser de haz expandido, se estudia el efecto de mejora del mecanismo de regulación térmica de la rejilla láser transitoria en BeE-LWPT

Las simulaciones multifísicas de la respuesta de temperatura del extremo caliente de la placa de cobre modulada por el punto del rayo láser se llevan a cabo con un software comercial de elementos finitos. En comparación con el método tradicional de expansión del haz para el control de la temperatura, el método de modulación propuesto basado en la rejilla láser transitoria tiene una respuesta de temperatura más estable y un área de calentamiento más uniforme, lo que significa un mejor efecto de regulación

Graficas de cambios de temperatura

El sistema BeE-LWPT muestra ventajas estructurales al eliminar componentes de refrigeración, pero su baja eficiencia de conversión es un obstáculo. La modulación por rejilla mejora la distribución térmica, reduciendo el daño térmico y aumentando la superficie efectiva de conversión.

Usos mensionados

vehículos aéreos no tripulados (UAV), la carga de vehículos de nueva energía y equipos electrónicos de consumo, y el tratamiento médico implantable

El WPT por láser está destinado principalmente a la carga de dispositivos electrónicos y UAVs de alta altitud, ofreciendo una solución inalámbrica eficiente para escenarios de larga distancia y sin contacto.

Teoria vista

El efecto Seebeck

Efecto fotoelectrico

Los conceptos teóricos incluyen el efecto Seebeck, la modulación por rejilla, la eficiencia de conversión eléctrica-óptica, y la eficiencia de conversión térmica-eléctrica.

Funcionamiento

Cuando se irradia un láser sobre la superficie del material, una parte se refleja y la parte restante ingresa al material e induce procesos fotoquímicos y fototérmicos 

 El proceso sigue cinco fases principales: 

(1) conversión de energía eléctrica en un láser pulsado, 

Mediante un láser pulsado en el lado de la fuente de alimentación, y la energía se emite mediante un material termoeléctrico en el lado de la carga. 

(2) modulación espacial del láser,

 (3) propagación e irradiación sobre el componente termoeléctrico, 

(4) generación de un campo de temperatura, y 

(5) conversión de energía térmica en energía eléctrica. La modulación por rejilla del láser mejora la uniformidad de la temperatura y la eficiencia de conversión.

Hay un pico instantáneo en la curva de datos de temperatura-tiempo de la estructura del extremo caliente compuesta de cobre-cerámica, el valor pico de la superficie superior es ∼62,5 ○C más alto que el nivel estable, y el de la superficie inferior es ∼29,8 ○C más alto que el nivel estable. 

La placa de cobre tiene un efecto de "aislamiento" significativo en el valor pico de la parte calefactora. Para la sección transversal efectiva del extremo caliente donde se encuentra la interfaz cobre/cerámica, su temperatura general está generalmente entre el punto central y la envolvente de la curva del dominio del tiempo del punto característico del borde exterior de la parte calefactora.área, y el límite superior de la envoltura cambia periódicamente. 

Espacialmente, las curvas de datos de temperatura-distancia de las superficies superior e inferior de la placa de cobre muestran una "protuberancia" típica. El radio del área correspondiente a la posición de la mitad del ancho de la "protuberancia" es ∼9 mm, que es 10 mm menor que el radio del área irradiada. (4) Después de reemplazar el método de modelado espacial del punto del rayo láser de expansión del rayo a modulación de rejilla basada en el efecto de interferencia, la ley general de la respuesta de temperatura del extremo caliente no cambia, especialmente la periodicidad temporal de la sección transversal efectiva del extremo caliente.

 Se mantiene la misma potencia del láser, el valor pico instantáneo de la curva de datos de temperatura de la superficie-tiempo de la placa de cobre es ∼38,4 ○C más alto que el nivel estable, que es mucho más bajo que los datos de 62,5 ○C en el estado del punto del rayo, y la curva en el segmento estable es más plana. Además, la temperatura de la superficie inferior de la placa de cobre varía con el espacio.

Parametros

El análisis del proceso de conversión de energía de BeELWPT y la eficiencia de conversión de cada enlace muestra que bajo la combinación típica de parámetros, por ejemplo, un láser de pulso de milisegundos de longitud de onda de 375 nm y una estructura de absorción de calor de extremo caliente de placa de cobre, la eficiencia de conversión general de energía civil es de ∼8,48%.

 Cuando el ancho del pulso láser es de 0,05 ms, la potencia es de 5 W y el haz se expande hasta un radio de 10 mm. 

El componente tric es de 40 mm (W) × 40 mm (L) × 3 mm (H), en el que el espesor de la lámina de cobre es de 2 mm y el espesor de la cerámica es de 1 mm. Las propiedades materiales del cobre y la cerámica se muestran e

 El radio característico de la posición de la mitad del ancho de la curva de cambio aumenta considerablemente de 9 mm en el estado de haz expandido a 14 mm, y el aumento del área correspondiente es cercano al 100%. Esto demuestra que la proporción de partes ineficaces de la conversión de luz-calor está controlada.

Mension de resultados vistos

El sistema logra una eficiencia global de conversión del 8.48% bajo condiciones típicas, con un pico de temperatura de 62.5°C en la superficie superior del cobre.

 La modulación por rejilla reduce el pico de temperatura y expande la superficie efectiva de alta temperatura en un 100%, optimizando el proceso de conversión térmica a eléctrica

Estructura

La estructura clave incluye un láser pulsado en el lado de la fuente de energía y un material termoeléctrico en el lado de la carga, simplificando el diseño y operación del sistema.

Destacan los láseres de pulso milisegundos y los componentes termoeléctricos hechos de cobre y cerámica. La modulación por rejilla del láser permite una distribución de calor más uniforme, lo que es crucial para la eficiencia del sistema.

aporte

El sistema de transferencia de energía inalámbrica por láser (WPT) basado en el efecto Seebeck (BeE-LWPT) presenta una innovación en la conversión de energía, eliminando la necesidad de componentes de refrigeración tradicionales basados en LWPT de efecto fotovoltaico . 

En comparación con la LWPT tradicional basada en el efecto fotovoltaico, BeE-LWPT no requiere componentes de refrigeración adicionales. El componente de refrigeración es relativamente simple en estructura y modos de operación. 

El esquema BeE-LWPT propuesto en este artículo abandona los componentes de refrigeración tradicionales 

 y tiene la ventaja de una estructura compacta.

Bibliografia

[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.

Revisión Cylindrical Transmitting Coil for Two-Dimensional Omnidirectional Wireless Power Transfer.

 propuso una bobina transmisora cilíndrica que es capaz de transmitir energía en dos dimensiones creando un campo magnético plano homogéneo. Se utilizó una estructura de bobinado helicoidal con dos bobinas para el transmisor y la configuración podía producir WPT 2D real sin puntos ciegos. Una característica prometedora de este sistema es el uso de una única fuente de energía que alimenta la bobina transmisora. El sistema tampoco requiere ningún control activo de la amplitud o fase de la fuente de energía

Bibliografia

 [130] Ha-Van, N.; Liu, Y.; Jayathurathnage, P.; Simovski, C.R.; Tretyakov, S.A. Cylindrical Transmitting Coil for Two-Dimensional Omnidirectional Wireless Power Transfer. IEEE Trans. Ind. Electron. 2022, 69, 10045–10054 https://ieeexplore.ieee.org/document/9720117/

Revision: Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer: A Battery-less Platform for the Internet of Underwater Things

 La Sección 2 proporciona material de referencia y una descripción general de las técnicas de alimentación en redes submarinas. En la Sección 3 se presenta la arquitectura del sistema propuesta y su principio de funcionamiento. En la Sección 4 describimos los principios físicos subyacentes de la atenuación de ondas y campos en los casos de ondas electromagnéticas (EM), inducción magnética (IM) y ultrasonido (US) en agua dulce y de mar. En la Sección 5 describimos el diseño y las métricas de evaluación de nuestro sistema TIP habilitado con capacidades de comunicación ultrasónica. El prototipo del sistema y los resultados experimentales se ilustran en la Sección 6 y la Sección 7, respectivamente, Conclusiones en la seccion 8

Aportes  

 Presenta el diseño del primer nodo sensor submarino sin batería que puede recargarse de forma inalámbrica mediante ondas ultrasónicas desde distancias más largas que las permitidas por las tecnologías actuales.

Arquitectura de una plataforma equipada con conectividad ultrasónica para IoUT que se puede cargar de forma remota mediante ondas acústicas, eliminando la necesidad de baterías de gran tamaño

un sistema que utiliza un solo transductor tanto para carga como para comunicación

Materiales utilizados 

 Una placa Teensy

Un MOSFET/ADC

Radio definido por software USRP N210, equipado con placas hijas LFTX y LFRX

 Módem submarino definido por software Amplificador de alta potencia LZY-22+

Transductor Airmar P58

Diodos BAT54

Teoría  

El uso de supercondensadores, que sustituyen a las baterías tradicionales o recargables, hace que el sistema sea más ligero, más fácil y más rápido de recargar o celdas secundarias.

Los materiales piezoeléctricos se utilizan para extraer energía de fuentes de energía cinética.

Fig. 2. Esquematización de las técnicas de alimentación bajo el agua. [1]

TABLA 1 Comparación entre técnicas TIP bajo el agua. 

  Alternativas energeticas:os nanogeneradores triboeléctricos (TENG),  Las pilas de combustible microbianas (MFC), Las turbinas y los rotores

Los acopladores electromagnéticos 

análisis cuantitativo de las pérdidas de transmisión para diferentes tipos de ondas .

 Modelos de propagación EM en agua

Modelo 1:Propagación EM en agua dulce

Modelo 2: Propagación EM en agua de mar 

Modelos de inducción magnética de campo cercano en agua.

Sistema basado en inducción magnética (IM)

Topología  

El sistema incluye un nodo SEANet, que sirve como plataforma de detección y comunicación submarina, una unidad de gestión de energía para recibir, convertir y almacenar la energía y una unidad de potencia para alimentar los componentes de la plataforma. El componente central de la unidad de comunicación es una placa Teensy que es un sistema de desarrollo de microcontroladores que recibe y procesa los datos de un sensor. Tambien genera señales de datos basado en el esquema de comunicación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal con relleno cero (ZP-OFDM)

Fig. 3. Diagrama de bloques de la plataforma IoT recargable por ultrasonidos. [1]

Inicialmente, el buffer de energía se agota total o parcialmente agotado. un cargador remoto debe enviar energía al sistema a través de ondas ultrasónicas para que el nodo pueda ser recargado.

La segunda fase  a energía se utiliza para alimenta el nodo SEANet para detección y transmisión de datos 

Unidad de Comunicación SEANet

 Un filtro de paso alto (HPF) conecta el Teensy con un mezclador y elimina el desplazamiento de CC de las formas de onda. 

un rectificador de onda completa de

diodo tradicional conectado al transductor a través de una red de adaptación. 

combinación entre el transductor y el rectificador. 

El rectificador extrae un voltaje constante que se utiliza para recargar el almacenamiento de energía, que necesita una señal de CC para recargarse

.  El sistema comprende dos interruptores basados en MOSFET/ADC que conectan el transductor a la unidad de gestión de energía y permiten alimentar la unidad de comunicación de datos y activar la transmisión una vez que se ha almacenado suficiente energía.

utiliza un banco de supercondensadores que se conectan en paralelo durante la fase de carga y en una configuración diferente durante la fase de alimentación para que el voltaje a través de la configuración de capacitor equivalente cumple con los requisitos de potencia de carga.

Fig. 10. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G1. [1]

La plataforma IoUT incluye una unidad de gestión de energía, una unidad de alimentación y un nodo sensor submarino SEANet G1 basado en el modelo arquitectónico
La estación de carga que transmite energía al nodo sumergido está compuesta por tres elementos principales: un minicircuito  software universal basado en periféricos de radio (USRP), módem submarino definido por software Amplificador de alta potencia LZY-22+ y transductor Airmar P58

o GNU Radio para generar muestras de banda base.

El nodo IoUT sumergido incorpora una red coincidente basada en un circuito de elementos concentrados pasivos para limitar la fuga de señal y los reflejos entre el modo.

cargamos un conjunto de supercondensadores y registramos el tiempo para cargar el almacenamiento con diferentes cantidades de potencia transmitida.

Parámetros 

Energía del sistema se puede restaurar con aproximadamente 1 W de potencia a una distancia de 1 m en menos de 5 minutos. 

TABLA 2 Principales símbolos y constantes.

El esquema ZP-OFDM ocupa un ancho de banda de 11,025 kHz a una frecuencia central de 22,050 kHz

la placa requiere una tensión de 12 V y 140 mA de corriente, 1,68 W consumiendo 2,02 J de energía

l Teensy se alimenta con 5 V.

El mezclador necesita dos “rieles de alimentación” (±12 V) 

El amplificador de potencia sólo puede funcionar con 12 V positivos.

El sistema SEANet necesita 25 mF para encenderse y detectar y transmitir un paquete de datos.

En la configuración de fase de carga sigue siendo 5,5 V. 

cuando la potencia de entrada es de 1,28 W, se obtiene cuando el voltaje USRP se establece en 1,5 V pico a pico que luego se amplifica hasta 96 V pico. -al pico.

en un rango de 1 m .

La eficiencia de transferencia de energía (PTE) del enlace de 1 m

PTE varía entre el 10 % y el 4 % para niveles de potencia de transmisión inferiores a 0,1 W

alrededor del 4% para niveles de potencia de transmisión superiores a 0,1 W.

con al menos 30 mW de potencia eléctrica CA, el rectificador diseñado puede funcionar con una eficiencia superior al 50%

Técnicas mencionadas

Propagación electromagnética (EM) en la región del campo cercano: acoplamiento magnético y inductivo

 ZP-OFDM tiene ocho símbolos que transportan 6144 bits de datos)

Aplicaciones mencionadas 

Aplicaciones militares, comerciales y científicas, incluida (i) vigilancia táctica/costera; (ii) sistemas de control y seguimiento de la industria del petróleo y el gas; (iii) monitoreo del cambio climático, control y seguimiento de la contaminación; y (iv) explotación comercial del medio acuático

Alimentación de dispositivos electrónicos en aguas profundass .

Objetos submarinos (por ejemplo, nodos de redes de sensores inalámbricos submarinos (UWSN) y vehículos submarinos autónomos (AUV))   vehículos operados remotamente (ROV) o vehículos submarinos no tripulados (UUV)

Bibliografía  

R. Guida, E. Demirors, N. Dave, and T. Melodia, “Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer: A Battery-Less Platform for the Internet of Underwater Things,” IEEE Trans Mob Comput, vol. 21, no. 5, pp. 1861–1873, May 2022, doi: 10.1109/TMC.2020.3029679.