Künstliche Intelligenz geht eines der Hauptprobleme des drahtlosen Ladens an: mangelnde Zuverlässigkeit. Eine vollständig automatisierte Entwurfsmethode gewährleistet nun eine stabile Spannung, unabhängig vom angeschlossenen Gerät.
Diese von einem japanischen Team entwickelte Methode könnte die Verbreitung drahtloser Energieübertragungssysteme beschleunigen. Indem ein Algorithmus die Optimierung der elektronischen Schaltungen übernimmt, überwindet sie die Grenzen traditioneller Entwürfe und bietet eine beispiellose Stabilität. Ein Fortschritt für die Unterhaltungselektronik ebenso wie für medizinische Geräte.
Maschinelles Lernen im Dienst des Entwurfs
Anstatt sich ausschließlich auf analytische Modelle zu verlassen, simulierten die Forscher das Verhalten der Komponenten numerisch, einschließlich ihrer Fehler. Ein genetischer Algorithmus testete dann automatisch Millionen von Kombinationen, um die ideale Konfiguration zu finden.
Das System bewertet jeden Entwurf nach drei Kriterien: Stabilität der Ausgangsspannung, Energieeffizienz und Qualität des elektrischen Signals. Der Algorithmus verfeinert die Schaltung schrittweise, bis optimale Leistung erreicht wird, unabhängig von der angeschlossenen Last.
Wie das Team in
IEEE Transactions on Circuits and Systems I berichtet, ist dies das erste Mal, dass ein solcher Entwurf vollständig von künstlicher Intelligenz durchgeführt und experimentell validiert wurde.
Unter realen Bedingungen validierte Leistung
Experimentelle Tests bestätigen die Überlegenheit des durch künstliche Intelligenz optimierten Systems. Während bei einem konventionellen System die Ausgangsspannung um bis zu 18 % schwanken kann, begrenzt der neue Entwurf diese Schwankungen auf weniger als 5 %. Diese Stabilität schützt die Batterien moderner elektronischer Geräte.
Der Energieeffizienzgrad erreicht ebenfalls ein beeindruckendes Niveau von 86,7 %, ein Wert, der selbst bei geringer geforderter Leistung beibehalten wird. Diese Leistung wird durch eine präzise Modellierung der Verluste ermöglicht, insbesondere jener, die mit den parasitären Kapazitäten der Halbleiter verbunden sind.
Eine detaillierte Analyse der Energieverluste zeigt, dass die Sendespule eine nahezu konstante Leistung abgibt. Diese Regelmäßigkeit resultiert direkt aus der Fähigkeit des Systems, einen stabilen Ausgangsstrom unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, was die Robustheit des Entwurfs beweist.
Um mehr zu erfahren: Wie funktioniert die drahtlose Energieübertragung?
Die drahtlose Energieübertragung basiert auf einem im 19. Jahrhundert entdeckten fundamentalen physikalischen Prinzip: der elektromagnetischen Induktion. Der Prozess beginnt, wenn ein Wechselstrom durch eine Sendespule fließt und um sie herum ein magnetisches Feld erzeugt, das mit hoher Frequenz oszilliert. Wenn sich eine zweite Spule, die Empfängerspule, in der Nähe dieses Feldes befindet, fängt sie diese magnetischen Schwingungen auf, die dann in ihr einen elektrischen Strom induzieren.
Die Effizienz dieser Übertragung wird durch das Phänomen der magnetischen Resonanz erheblich verbessert. Beide Schaltkreise, Sender und Empfänger, sind präzise auf eine identische Resonanzfrequenz abgestimmt. Diese Synchronisation ermöglicht es dem System, die elektromagnetische Energie auf einen definierten Raum zu konzentrieren, Verluste zu reduzieren und größere Übertragungsentfernungen als bei einfacher Induktion zu ermöglichen.
Diese Technologie findet heute konkrete Anwendungen in vielen Bereichen. Sie versorgt bereits unsere Smartphones und einige implantierbare medizinische Geräte und bietet erhöhten Komfort und Sicherheit. Die Automobilindustrie entwickelt aktiv induktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, während das Internet der Dinge darin eine elegante Lösung zur Stromversorgung von batterielosen Sensoren findet.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers