Adaptive energy management front-ends for variable-distance assymetric wireless power transfer links

Abstract

[ANGLÈS] Resonant Inductive Coupling Wireless Power Transfer (RIC-WPT) is a leading field of research due to the growing number of applications that can benefit from this technology: from biomedical implants to consumer electronics, fractionated spacecraft and electric vehicles amongst others. However, current applications are limited to symmetric point-to-point-links. New applications of RIC-WPT emphasize the necessity to explore these links for different configurations: asymmetrical systems and multi-point RIC-WPT networks. Prediction of their behaviour and optimization of these links are required before their deployment; and correction of performance and adaptation to operation conditions are necessary to enhance power transfer once the link is operative. Besides, application of these new configurations requires a revision of existing models to ensure that analytical description matches actual behaviour of both antennas and the complete RIC-WPT link. In this work, regarding aforementioned points, a critical comparison of antenna and link models is performed to guarantee model to actual behaviour correlation. Regarding verified models, response of a RIC-WPT link is characterized for different coupling scenarios to predict its behaviour. Then a design methodology to optimize an asymmetric RIC-WPT link is presented. Finally, an adaptive energy management system is proposed to enhance operation conditions once the link has been deployed.

[CASTELLÀ] La transferencia de energía sin cables por acoplamiento resonante inductivo (RIC-WPT) es un campo de investigación líder debido al creciente número de aplicacions que se benefician de esta tecnología: desde implantes biomédicos hasta la electrónica de consumo, tecnología aeroespacial fraccionada y vehículos eléctricos entre otras. Sin embargo, las aplicaciones actuales se limitan a enlaces simétricos punto a punto. Las nuevas aplicaciones de RIC-WPT enfatizan la necesidad de explorar este tipo de enlaces para otras configuraciones: sistemas asimétricos y redes RIC-WPT multipunto. Es necesario predecir su comportamiento y optimizarlos antes de su desplegamiento; una vez el enlace está operativo, es necesario corregir su rendimiento y garantizar la adaptación a las condiciones de trabajo para mejorar la transferencia de potencia. Además, la aplicación de estas nuevas configuraciones requiere la revisión de los modelos existentes para garantizar que la descripción analítica se corresponde con el comportamiento real, tanto en el caso de la antena como el del enlace RIC-WPT al completo. En este trabajo, según los puntos anteriores, se presenta una comparación crítica de los modelos que describen la antena y el enlace RIC-WPT para garantizar su correlación con el comportamiento real. Una vez esto se ha verificado, se caracteriza la respuesta del enlace RIC-WPT en distintos escenarios de acoplamiento para predecir su comportamiento. Después, se presenta una metodología de diseño orientada a optimizar un enlace RIC-WPT asimétrico. Finalmente, se propone un sistema de gestión adaptativo de energía con el objetivo de mejorar las condiciones de operación en un enace ya implementado.

[CATALÀ] La transferència d’energia sense cables per acoblament ressonant inductiu (RIC-WPT) és un camp de recerca capdavanter degut al creixent nombre d’apliacions que es beneficien d’aquesta tecnologia: des d’implants biomèdics fins a l’electrònica de consum, tecnologia aeroespacial fraccionada i vehicles elèctrics entre d’altres. Tot i així, les aplicacions actuals es limiten a enllaços simètrics punt a punt. Les noves aplicacions de RIC-WPT emfatitzen la necessitat d’explorar aquest tipus d’enllaços per a d’altres configuracions: sistemes asimètrics i xarxes RIC-WPT multipunt. És necessari predir el seu comportament i optimitzar-los abans de fer-ne el desplegament; un cop l’enllaç és operatiu, és necessari corregir-ne el rendiment i garantir-ne l’adaptació a les condicions de treball per tal de millorar la transferència de potència. A més d’això, l’aplicació d’aquestes noves configuracions requereix la revisió dels models existents per tal de garantir que la descripció analítica es correspon amb el comportament real, tant en el cas de l’antena com el de l’enllaç RIC-WPT al complet. En aquest treball, tot seguint els punts anteriors, es presenta una comparació crítica dels models per a descriure l’antena i l’enllaç RIC-WPT per tal de garantir-ne la correlació amb el comportament real. Un cop verificada, es caracteritza la resposta de l’enllaç RIC-WPT per a diferents escenaris d’acoblament per a predir-ne el comportament. Després, es presenta una metodologia de disseny per a la optimització d’un enllaç RIC-WPT asimètric. Finalment, es proposa un sistema de gestió adaptativa d’energia amb l’objectiu de millorar les condicions d’operació en un enllaç ja implementat.