Maximização da potência na carga em sistemas de transferência de energia sem fios com acoplamento indutivo de baixa potência

Abstract

A transferência de energia sem fios tem sido utilizada para alimentação de dispositivos e sistemas remotos, em que o uso de fiosé inadequado, custoso ou até mesmo proibitivo. As suas aplicações abrangem desde dispositivos biomédicos implantáveis, passando pelo setor de eletrônicos de consumo, até recarga de baterias em veículos elétricos. A potência transferida à carga depende dos parâmetros do circuito equivalente, entre os quais, o coeficiente de acoplamento magnético e o valor da carga desempenham um papel importante. O desalinhamento entre as bobinas transmissora e receptora, bem como as condições de carga variável, tornam o problema de maximização da energia transferida não trivial, pois a função objetivo muda de acordo com os parâmetros do circuito equivalente, causando um decréscimo significativo na potência da carga fora das condições iniciais de projeto. Portanto, maximizar a potência transmitida à cargaé um problema pertinente em todas as aplicações. Neste trabalho, são apresentadas contribuições para a metodologia de projeto de acoplamentos indutivos compensados, em que os diâmetros de bobinas planares circulares são escolhidos de forma a maximizar o coeficiente de acoplamento magnético. Além disto, e apresentado um circuito eletrônico capaz de emular um capacitor controlado por tensão, cuja aplicação é realizada na rede capacitiva de compensação no lado primário do acoplamento indutivo. Pela medida da impedância de entrada do circuito é possível estimar a potência na carga e assim maximizá-la através do ajuste da capacitância da rede de compensação. A partir do estudo de caso apresentado, um aumento de 67% na potência fornecida à carga e conseguido em comparação a um acoplamento magnético com rede de compensação fixa. Por fim, e apresentada a maximização da potância entregueà carga utilizando não somente a capacitância de compensação variável, mas também a frequência de operação variável. Com a metodologia proposta, é possível manter a potência dissipada na carga aproximandamente constante para uma faixa de coeficiente de acoplamento magnético de 0,2 a 0,8 e carga de 10Ω a 100Ω, permitindo assim aumentar o grau de liberdade de posicionamento entre as bobinas transmissora e receptora.

Wireless power transfer has been used for powering devices and systems remotely, where using wires is inadequate, costly, or even prohibitive. Its applications range from implantable biomedical devices, consumer electronics to battery recharging in electric vehicles. The power transferred to the load depends on the parameters of the equivalent circuit, which the magnetic coupling coe cient and the load value play an important role. The misalignment between the transmitter and receiver coils as well as the variable load condition make the transferred energy maximization problem non-trivial because the objective function changes according to the parameters of the equivalent circuit, causing a signi cant decrease in the load power as long as the parameters deviate from the initial design values. Therefore, maximizing the power transferred to the load is a relevant problem in all applications. In this work, contributions are presented to the design methodology of compensated inductive couplings, where the diameters of circular planar coils are chosen in order to maximize the magnetic coupling coe cient. In addition, an electronic circuit capable of emulating a voltage controlled capacitor is presented, whose application is carried out in the capacitive compensation network on the primary side of the inductive coupling. By measuring the input impedance of the circuit it is possible to estimate the power in the load and thus to maximize it by adjusting the capacitance of the compensation network. From the case study presented, a 67% increase in power dissipated in the load is achieved in comparison to a magnetic coupling with xed compensation network. Finally, the maximization of power delivered to the load is presented using not only the variable compensation capacitance, but also the variable operating frequency. With the proposed methodology, it is possible to keep the load power approximately constant for a range of magnetic coupling coe cient of 0:2 to 0:8 and load of 10Ω to 100Ω , thus increasing the degree of freedom of positioning between the transmitter and receiver coils.