Hệ thống truyền tải điện không dây (WPT) là nền tảng của nhiều thiết bị, từ điện thoại thông minh đến bếp từ. Nhưng một trong những vấn đề khó khăn của WPT là khi thiết bị (hoặc “tải”) thay đổi, điện áp có thể dao động, khiến việc cung cấp điện không ổn định.

Mới đây, các nhà khoa học tại Nhật Bản tạo ra bước đột phá về WPT. Các nhà khoa học sử dụng công nghệ máy học và toán học thông minh để thiết kế hệ thống WPT, sao cho điện áp luôn ổn định, hiệu quả dưới mọi tải, bất kể chúng đang cấp nguồn cho thiết bị gì.

Điều này có ý nghĩa không chỉ với pin điện thoại thông minh mà ngay cả với các pin lớn hơn như pin xe điện, nơi tải có thể thay đổi đáng kể trong quá trình sạc. Các nhà khoa học công bố nghiên cứu của họ trên tạp chí IEEE Transactions on Circuits and Systems tháng 6/2025.

Phương pháp của nhóm nghiên cứu giữ cho điện áp dao động dưới 5%. Nó đạt hiệu suất ổn định 86,7%, một bước tiến lớn hướng tới việc tạo ra nguồn điện không dây đáng tin cậy và sẵn sàng cho mục tiêu sử dụng thực tế.

Về mặt kỹ thuật, các kỹ sư muốn hệ thống WPT luôn hoạt động ổn định, nhất quán, ngay cả khi thiết bị được cấp nguồn thay đổi. Đây được gọi là hoạt động độc lập với tải (LI), giúp giữ điện áp ổn định, đảm bảo chuyển mạch mượt mà, gọi là chuyển mạch không điện áp (ZVS).

Nhưng vấn đề ở đây là để hoạt động LI, các bộ phận của hệ thống, như cuộn dây, tụ điện, cần được điều chỉnh với độ chính xác cực cao. Cách thông thường để làm điều này liên quan đến các phương trình phức tạp, giả định mọi thứ đều lý tưởng, điều mà trong thế giới thực, hiếm khi xảy ra.

Việc thiết kế hệ thống WPT ổn định, bất kể chúng cấp điện cho thiết bị gì cũng giống như giữ thăng bằng cho chiếc bập bênh mà các vật nặng liên tục dịch chuyển, rất khó khăn. Các phương pháp truyền thống dựa vào toán học phức tạp và điều kiện lý tưởng, mà không phải lúc nào cũng phù hợp với thực tế.

Để vượt qua thách thức này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hiroo Sekiya tại Đại học Chiba dẫn đầu, hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo và Đại học Sojo, phát triển giải pháp, cho phép máy học thực hiện những công việc phức tạp.

Thay vì vật lộn với các phương trình cứng nhắc, họ đào tạo các thuật toán để tìm ra thiết kế mạch tốt nhất cho truyền tải điện không dây độc lập với tải (LI-WPT). Kết quả là một hệ thống cung cấp điện áp ổn định, hiệu suất cao, ngay cả khi tải thay đổi.

Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu mô hình hóa hệ thống bằng các phương trình vi phân, cho thấy điện áp và dòng điện thay đổi theo thời gian như thế nào. Sau đó là thuật toán đánh giá hiệu suất của hệ thống (độ ổn định điện áp, hiệu suất, độ biến dạng), điều chỉnh các thông số và lặp lại quá trình cho đến khi hệ thống đạt đến độ ổn định, không phụ thuộc vào tải.

Nhóm nghiên cứu tin rằng tính độc lập với tải là yếu tố then chốt cho việc triển khai WPT rộng rãi trên thực tế. Để kiểm tra xem phương pháp máy học của họ có hiệu quả hay không, nhóm nghiên cứu áp dụng nó vào hệ thống điện không dây loại EF. Thiết lập này kết hợp một bộ biến tần loại EF (phát điện) với một bộ chỉnh lưu loại D (nhận và chuyển đổi điện năng).

Thông thường, loại biến tần này chỉ hoạt động tốt ở một điểm chuẩn cụ thể. Nếu tải thay đổi, ví dụ, từ cấp nguồn cho điện thoại sang cấp nguồn cho cảm biến, hệ thống sẽ mất khả năng chuyển mạch mượt mà (ZVS) và trở nên kém hiệu quả hơn.

Nhưng với thiết kế mới độc lập với tải (LI), hệ thống WPT vẫn êm ái dưới áp lực. Nó giữ nguyên ZVS và cung cấp điện áp đầu ra ổn định, ngay cả khi tải thay đổi. Điều này giống như một chiếc xe chạy êm ái, dù chỉ chở một hành khách hay cả một cốp xe đầy hàng hóa.

Trong các thiết lập nguồn điện không dây truyền thống, điện áp có thể dao động mạnh, lên đến 18%, khi thiết bị được cấp nguồn thay đổi. Điều này giống như việc cố gắng rót đầy một cốc nước từ vòi nước cứ liên tục chảy. Không lý tưởng chút nào.

Nhưng bộ biến tần LI mới được thiết kế dựa trên công nghệ máy học lại giống như một vòi nước thông minh: Nó giữ điện áp ổn định, biên độ dao động dưới 5%, ngay cả khi tải thay đổi. Đó là bước tiến lớn về độ ổn định.

Phân tích sâu về tổn thất công suất cho thấy một điều đáng chú ý. Cuộn dây truyền tải sử dụng gần như cùng một lượng công suất trên các tải khác nhau. Đó là bởi vì hệ thống giữ cho dòng điện đầu ra ổn định, giống như động cơ được tinh chỉnh tốt, di chuyển êm ái trên mọi địa hình.

Ở mức cao nhất, hệ thống LI-WPT loại EF cung cấp hơn 23 watt điện ở tần số 6,78MHz, với hiệu suất ấn tượng 86,7%, một tín hiệu mạnh mẽ cho thấy năng lượng không dây đang ngày càng mạnh mẽ hơn, ổn định hơn, sẵn sàng cho thời điểm quan trọng.

Nhưng yếu tố thực sự thay đổi cuộc chơi là gì? Đó là AI. Bằng cách sử dụng máy học để thiết kế mạch điện, nhóm nghiên cứu cho thấy chúng ta đang bước vào kỷ nguyên mà điện tử công suất có thể tự tạo ra, tối ưu hóa hiệu suất, thích ứng với điều kiện thực tế.

Nhóm nghiên cứu tin rằng bước đột phá của họ không chỉ là một thành công về kỹ thuật. Đó là một bước tiến tới xã hội hoàn toàn không dây. Trong vòng 5 đến 10 năm tới, WPT có thể phổ biến như Wi-Fi, cung cấp năng lượng cho điện thoại, thiết bị đeo được, xe cộ và thành phố thông minh mà không cần bất kỳ sợi dây nào.