Система бесконтактной передачи электроэнергии для дверей транспортного средства
CONTACTLESS POWER TRANSMISSION SYSTEM FOR VEHICLE DOORS

Изобретение относится к бесконтактному и беспроводному способу передачи электрической энергии на подвижные кузовные элементы (створки дверей, двери, капоты, крышки) общественного наземного транспорта, а так же передаче энергии на сдвижные двери автомобилей, микроавтобусов, минивэнов и т.д., с возможностью накопления этой энергии в аккумуляторных батареях, конденсатора, суперконденсатора и иных элементах способных принимать, хранить и отдавать энергию для обеспечения питанием всевозможных электрических, электромеханических и электронных устройств и компонентов.
На сегодняшний день в общественном наземном транспорте и на сдвижных дверях автомобилей чаще всего применяется проводной способ передачи электроэнергии на подвижные кузовные элементы. Это необходимо для обеспечения питанием, например, чувствительной кромки (резистивного сенсора) двери, являющимся одним из основных элементов системы противозажатия пассажиров, а также, например, информационного табло или дисплея, подсветки. В данном случае провод прокладывается от потребителя энергии расположенного на подвижном кузовом элементе (напр. створка двери) к блоку-контроллеру расположенному на неподвижной части транспорта (дверной проём, рабочее место водителя и т.д.). Там где створки дверей или сами двери имеют кинематику движения открытия-закрытия параллельно корпусу (например микроавтобус, минивэн) или внутрь корпуса (метро), широко применяется проводной способ по средством так называемого шлейфа. Но из-за большого кол-ва циклов открытия-закрытия, а также температурных условий эксплуатации со временем происходит износ и обрыв шлейфа. Если же кинематика открытия-закрытия двери, створок дверей представляет из себя движение сразу в нескольких плоскостях, как например на большинстве городских автобусов средней и большой вместительность, то прокладка провода становится затруднительной и не технологичной, а в некоторых случаях противоречащей требованиям технического регламента "ГОСТ Р41.36-2004 (Правила ЕЭК ООН N36) Единообразные предписания, касающиеся сертификации пассажирских транспортных средств большой вместимости в отношении общей конструкции", а именно "5.5.6.4. Все провода должны быть надёжно защищены и прочно прикреплены, чтобы исключалась возможность их обрыва, перетирания или износа." При прокладывании провода его защищают при помощи металлической гофрированной оболочки, но как уже указывалось выше, принимая во внимание все факторы, а именно сложные условия эксплуатации (кол-во циклов открытия/закрытия, температурный диапазон), конструктивные особенности (кинематика движения открытия/закрытии) амплитуду и диапазон изгиба провода во время движения створок и/или дверей, становится понятно что это ненадежный способ, так как вследствие постоянных изгибающих нагрузок и вибраций происходит износ провода и выход его из строя.
Возможно применение бесконтактного способа передачи электроэнергии методом электромагнитной индукции описанного в патентах RU2561456C2, E102004017341 и EP3061895A1. Хотя все указанные технические решения имеют в своем описании бесконтактную передачу энергии, фактически таковыми не являются, так как представляют из себя ни что иное, как трансформатор и имеют между передающей и приемной катушками металлический сердечник, то есть механическую связь, что существенно ограничивает возможности и виды техники на которой данный способ может быть применён. Наиболее подходящим он может быть в тех случаях, когда дверь или створки двери имеют кинематику движения открытия/закрытия строго относительно одной оси или петли, на которой она закреплена. Например, двери распашного типа.
Альтернативой выше упомянутых способов может являться питание электропотребителей от накопителя энергии, например аккумулятора, который устанавливается на подвижные кузовные элементы (створки дверей, двери, капоты, крышки и т.д.). Но и данный вариант обеспечения электропотребителей энергией имеет недостаток для общественного наземного транспорта и автомобилей. А именно, аккумулятор, конденсатор или суперконденсатор необходимо периодически менять либо перезаряжать.
Чтобы решить задачу с передачей электрической энергии на подвижные кузовные элементы (створки дверей, двери, капоты, крышки и т.д.), а также сдвижные двери автомобилей создается, в буквальном смысле, бесконтактная передача электрической энергии на расстоянии, основанная на принципе индукции. Подобная технология в основном применяется в области бытовой электроники, например, для зарядки смартфонов и подобных устройств, где для этих целей используется так называемый стандарт Qi. В стандарте Qi передача электроэнергии обычно происходит между двумя катушками, которые находятся в фиксированной связи друг с другом в нерезонансных условиях и большое значение для эффективности передачи энергии имеет расстояние и взаимное расположение катушек. Данная технология передачи энергии фактически не реализуема на подвижных кузовных элементах (створки дверей, двери) общественного наземного транспорта и сдвижных дверях автомобилей, так как учитывая конструктивные особенности подвижных кузовных элементов и условия эксплуатации, невозможно обеспечить точное взаимное расположение катушек и расстояние менее 5мм между ними.
В техническом решении, описанном в заявке EP3059359(A1) и принятом за прототип, основные проблемы заключаются в следующем. Для повышения эффективности передачи энергии используются сердечники в виде (Е)-профиля и/или (U)-профиля выполненные из спеченного феррита. То есть электромагнитное поле концентрируется в сердечнике передающей катушки и через его торцы передается в торцы сердечника принимающей катушки. В данном случае, необходимо отметить, что крайне важно четкое позиционирование торцов сердечника относительно друг друга, так как при незначительном осевом смещении торцов сердечника друг относительно друга происходит значительное снижение эффективности передачи энергии. Так же, как следует из заявки EP3059359(A1), расстояние между торцами сердечников передающей и принимающей катушек должно быть в пределах 4-10 мм. При этом указано что максимальная эффективность передачи энергии происходит на расстоянии до 8мм. Учитывая конструктивные особенности крепления подвижных кузовных элементов (створок дверей), условия эксплуатации, а также тот факт, что судя по описанию, изобретение предназначено в основном для использования в рамах дверей и окон, которые, как правило, выполнены из пластика или из дерева, тогда как общественный наземный транспорт и автомобили сделаны из разнообразных металлических сплавов (как минимум их каркасные (несущие) части), нельзя применить указанное техническое решение на общественном наземном транспорте. Также в заявке EP3059359(A1) указано, что при изменении расстояния, для сохранения эффективности передачи энергии, необходимо увеличение мощности передающего контура, что достигается за счёт увеличения количества витков передающей и принимающей катушек и заменой задающего частоту конденсатора, который подбирается опытным путём.
Принимая во внимание конструктивные и эксплуатационные особенности подвижных кузовных элементов общественного наземного транспорта стояла задача увеличения расстояния передачи энергии как минимум до 20 мм.
Указанная задача достигается системой бесконтактной передачи электроэнергии для дверей транспортного средства, содержащей по меньшей мере одну раму и по меньшей мере одну  створку, связанный с по меньшей мере одной рамой по меньшей мере один блок передатчика, содержащий источник питания и колебательный контур, и связанный с по меньшей мере одной створкой по меньшей мере один блок приемника, связанный с блоком рабочей системы и включающий колебательный контур, в которой, согласно предложению, колебательный контур блока передатчика и колебательный контур блока приемника настроены на работу в резонансном режиме, при этом блок передатчика содержит генератор прямоугольных импульсов, блок автоподстройки частоты, который автоматически компенсирует отклонения частоты от резонанса согласованных передающего и принимающего контуров, вызванных температурным изменениями компонентов системы, в частности полупроводниковых, вследствие работы в широком диапазоне температур (от -40°C до +60°C), и усилитель мощности, выполненный с возможностью изменения коэффициента усиления без изменения параметров катушек; блок приёмника связан с блоком рабочей системы через диодный мост и дополнительно связан с накопителем энергии.
Задача решается также равномерным распределением электромагнитного поля между согласованным контурами, что достигается путём применения плоских катушек индуктивности (передающей и принимающей) или катушек на чашечных сердечниках из ферромагнитного материала и подбором их оптимальной добротности и индуктивности. Это позволяет достичь максимально эффективной передачи энергии на расстоянии до 30 мм, а именно обеспечить питанием в несколько ампер какое-либо устройство с большим потреблением тока (например, информационное табло, дисплеи, моторизированные замки) или быстро зарядить накопитель энергии, например перезаряжаемую батарею, суперконденсатор, конденсатор или их сочетание. Заявляемое изобретение позволяет осуществлять передачу электрической энергии с незначительными потерями на расстоянии до 60мм между передающей и принимающей катушками. Для повышения эффективности передачи энергии на расстоянии свыше 25 мм возможно применять для намотки плоских катушек провод "литцендрат" (см., например: http://bourabai.ru/toe/litzendraht.htm). Это проводник особой конструкции, который состоит из большого числа тонких жил, изолированных одна от другой. Жилы переплетены так, что каждая проходит по поверхности и в любом месте поперечного сечения на всём протяжении провода. В таком проводнике ток течёт по поверхности каждой жилы, в результате рабочая площадь поперечного сечения проводника значительно увеличивается.
Необходимо отметить, что применение плоскостных катушек или катушек на чашечных сердечниках из ферромагнетика позволяет располагать передающую и приемную катушки не в строгом взаимном расположении. Для эффективной передачи энергии достаточно располагать приемную катушку в зоне действия передающей катушки, без привязки к осевой линии передающей. Что дает очевидный конструктивный плюс при установке на подвижных кузовных элементах автотранспорта.
Также необходимо отметить, что возможно использование различных комбинаций типов и материалов катушек. Например, передающая на чашечном сердечнике из феррита, а принимающая плоская из литцендрата.
Как уже упоминалось выше, в большинстве случаев подвижные кузовные элементы (створки дверей, двери, капоты, крышки), а тем более кузовные каркасные (несущие) части общественного наземного транспорта и автомобилей выполнены из разнообразных металлических сплавов. Данный материал, находясь в зоне действия передающей и принимающей катушек, меняет их индуктивность, что приводит к рассогласованию передающего и приемного контуров, следствием этого становится крайне малоэффективная передача электроэнергии. Особенно заметно эта проблема проявляется в случае использования плоских катушек и может быть решена экранированием обратных плоскостей передающей и принимающей катушек материалом из ферромагнетика. Например, это может быть плёночный феррит. Такое решение позволяет разместить как приемную так и передающую плоские катушки в непосредственной близости от металла, сохраняя при этом максимальную эффективность передачи электрической энергии на большом расстоянии. Если же используются катушки на чашечных сердечниках из ферромагнетика, то дополнительное экранирование не требуется вне зависимости от близости металла. Нельзя не отметить, что процесс передачи энергии возможен и в том случае, если между передающей и приемной катушками будет находиться любой радиопрозрачный и не электропроводящий материал. Например, уплотнитель створок дверей и/или сдвижной двери автомобиля.
Частота передаваемого переменного тока лежит в диапазоне от 70 кГц до 300 кГц. В этом частотном диапазоне возбуждение слышимых и раздражающих механических колебаний во многом предотвращается, в то время как потери мощности по-прежнему ограничены приемлемым уровнем. Для большинства электронных, электрических и электромеханических устройств (блок рабочей системы) требуется питание постоянного тока для правильной работы. Для этого в схеме после приемного колебательного контура установлен диодный мост, преобразующий индуцированный переменный ток в постоянный.
Чтобы обеспечить бесперебойное питание, например, резистивного сенсора, предпочтительно использовать накопитель в виде суперконденсатора (ионистора). Это предотвращает прерывание питания при открытии створки двери и/или двери. Целесообразно использовать суперконденсатор не менее 5 Фарад (25 мВт/ч). По сравнению с аккумулятором, суперконденсатор способен быстрее принимать и отдавать накопленную энергию. Что касается максимально возможных циклов заряда-разряда, срок службы суперконденсатора также значительно превышает срок службы перезаряжаемой батареи. Также стоит упомянуть, что большинство аккумуляторов не подходят по температурном режиму эксплуатации, в данном случае речь идет о минусовых температурах (до -40°C).
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан, в качестве примера, общий вид на распашные двери транспортного средства.
На фиг. 2 показан, в качестве примера, общий вид на раздвижные двери транспортного средства.
На фиг. 3 показана схема блока передатчика.
На фиг. 4 показана схема блока приёмника.
На фиг. 5, 6, 7 показано, укрупнённо, взаимное положение блока передатчика и блока приёмника с разными видами катушек.
На чертежах указаны следующие позиции:
1. Источник питания.
2. Генератор прямоугольных импульсов.
3. Блок автоподстройки частоты.
4. Магнитное (электромагнитное) поле.
5. Усилитель мощности.
6. Колебательный контур блока передатчика.
7. Передающая катушка индуктивности плоская или на чашечном ферритовом сердечнике.
8. Конденсатор колебательного контура блока передатчика.
9. Плёночный феррит.
10. Дверной проём.
11. Колебательный контур блока приёмника.
12. Принимающая катушка индуктивности плоская или на чашечном ферритовом сердечнике.
13. Конденсатор колебательного контура блока приёмника.
14. Диодный мост.
15. Резистивный сенсор.
16. Створка двери.
17. Корпус передающей катушки из пластика.
18. Корпус принимающей катушки из пластика.
19. Суперконденсатор (ионистор).
20. Блок рабочей системы.
На дверном проёме 10 общественного наземного транспорта и/или автомобиля (микроавтобуса, минивэна) закрепляется передающая катушка 7 в подходящем с точки зрения технологичности крепления месте. При этом части блок передатчика, создающие переменный ток для передающей катушки 7, могут устанавливаться удаленно от самой катушки 7, например, в технологическом люке находящимся сверху дверного проема (фиг.1). Принимающая катушка 12 крепится на подвижном кузовом элементе - створке двери 16 (или двери, капоте, крышке) общественного наземного транспорта и/или на сдвижной двери автомобиля (минивэна, микроавтобуса) напротив передающей катушки 7 в параллельной плоскости. При этом, части блока приёмника могут также крепиться удаленно от принимающей катушки 12.
При подаче напряжения от источника питания 1 на передающей катушке 7 генерируется электромагнитное поле, которое в свою очередь индуцирует переменный ток в принимающей катушке 12.
В силу конструктивных особенностей крепления створок дверей общественного наземного транспорта и условий эксплуатации створки двери 16 при закрытии не всегда занимают одинаковое положение полного закрытия. Это означает что взаимное позиционирование передающей и принимающей катушек 7 и 12, а также расстояние между ними может меняться, вследствие чего может меняться эффективность передачи мощности. Чтобы уменьшить эти потери, в блоках приёмника и передатчика применяются плоские катушки (фиг. 5, 6) или катушки на чашечных сердечниках из ферромагнетика (фиг. 6, 7), имеющие достаточно равномерное распределение электромагнитного поля. Для компенсации отклонения частоты от резонанса согласованных контуров, вызванных температурными изменениями компонентов системы, в частности полупроводниковых, в жаркое или холодное время года эксплуатации транспортного средства, используется блок автоподстройки частоты 3.
Для обеспечения бесперебойного и автономного питания электропотребителей (блок рабочей системы 20), находящихся на створке двери 16, в блоке приема заряда установлен суперконденсатор 19, который способен накапливать энергию. Также блок приемника имеет возможность самодиагностики благодаря применению микроконтроллера и радиомодуля (не показаны).
Источник питания 1 имеет мощность, достаточную для обеспечения  работоспособности с необходимыми параметрами всех функциональных блоков и узлов. Генератор прямоугольных импульсов 2 создаёт сигнал, состоящий из последовательности импульсов одинаковой длины и одинаковой амплитуды. На данном этапе требований к высокой мощности генерируемых импульсов нет, так как в дальнейшем они будут усилены до уровня, необходимого для передачи энергии. Стабильность периода следования импульсов, то есть их частоты, обеспечивается модулем автоматической подстройки частоты 3. Таким образом, даже при неточных параметрах элементов схемы генератора, изменения номиналов вследствие температурного воздействия или температурного дрейфа, а также из-за воздействия внешних электромагнитных полей или мощных источников электромагнитных сигналов, либо вследствие каких-либо иных внешних воздействий, вызывающих отклонение параметров схемы генератора 2, функционирующий модуль подстройки частоты 3 позволит получить на выходе блока импульсы со строго заданным, необходимым для беспроводной бесконтактной передачи энергии, периодом. Усилитель мощности 5 необходим для поднятия напряжения и тока прямоугольных импульсов до уровня, который обеспечит достаточную для передачи энергии напряжённость электромагнитного поля 4, создаваемого устройством. Само электромагнитное поле 4 создаётся колебательным контуром 6, подробно изображенным на фиг.2, состоящим из катушки индуктивности 7, конденсатора 8, обеспечивающего в паре с катушкой резонансный режим работы, и ферритового экрана 9, изолирующего силовые электромагнитные линии, создаваемые катушкой 7, от внешних металлических объектов, что позволяет эффективно и без существенных искажений и потерь передавать энергию беспроводным бесконтактным способом на створки двери 16 (в том числе сдвижные).
Блок приёмника (фиг. 3) система бесконтактной передачи электроэнергии состоит из колебательного контура 11, осуществляющего приём электромагнитного сигнала блока передатчика в резонансном режиме. Колебательный контур 11 блока приёмника состоит из катушки индуктивности 12 и конденсатора 13, обеспечивающего резонансный режим работы контура 11. Электромагнитное поле 4, создаваемое блоком передатчика энергии, создаёт в колебательном контуре 11 блока приёмника ток, который усиливается за счёт резонансного режима работы. Возникающий таким образом переменный ток поступает на диодный мост 14, который выпрямляет его. Образующееся постоянное напряжение используется для питания блока рабочей системы 20 (управляющего устройства, контроллера, сенсоров 15, устройств индикации или иных потребителей электроэнергии), а также для накопления заряда в суперконденсаторе 19. Накопленный заряд может использоваться для обеспечения питанием рабочей системы 20 в те периоды, когда отсутствует передача энергии, например когда приёмная катушка 12, закреплённая на подвижном элементе (створке 16), смещается и выходит из области действия электромагнитного поля, создаваемого передающей катушкой 7 или когда блок передатчик отключен от источника питания 1. Как только изначальные условия будут восстановлены (приёмная катушка 12 попадает в область действия электромагнитного поля 4 передающей катушки 7, беспроводная бесконтактная передача энергии возобновится.
Согласованность передающего 6 и принимающего 11 контуров на рабочей частоте передачи энергии, задаваемой генератором 2, обеспечивается подбором конденсатора 8 в цепи передающей катушки индуктивности 7 и конденсатора 13 в цепи принимающей катушки индуктивности 12. Вместе система из генератора прямоугольных импульсов заданной частоты 2, модуля автоматической подстройки частоты 3, колебательного контура 6 блока передатчика  и колебательного контура 11 блока приёмника образует согласованную резонансную систему, создающую электромагнитное поле на частоте резонанса, осуществляющее перенос энергии от передающей части к приёмной. За счёт использования плоских катушек 7, 12 и ферритового экранирования (фиг. 5) или катушек 7, 12 на чашечном сердечнике из ферромагнитного материала (фиг. 6, 7), силовые линии электромагнитного поля распределены равномерно в сечении плоскости передающей катушки по её площади, а его напряжённость убывает с ростом расстояния между передающим 6 и принимающим 11 колебательным контуром. Это позволяет размещать приёмную катушку 12 в любом месте проекции передающей катушки 7 на плоскость, параллельную приёмной катушке.
Опытный образец заявляемой системы бесконтактной  передачи электрической энергии устанавливался на подвижные створки дверей автобуса ЛиАЗ 5292, для обеспечения питанием чувствительной кромки створки (защита от зажатия). В данном случае конструктив створок и проёма позволяют установить передающей и принимающей блоки в верхней части проёма на расстоянии около 25-30 мм между передающей и принимающей катушками (как на фиг. 1). Блок заряда монтировался в технологическом люке, а передающая катушка 7 – на дверном проёме над блоком 12 принимающим заряд установленным в верхней части створки. В данном случае использовались плоские катушки с ферритовой подложкой, при этом передающая катушка круглая имеет диаметр 43 мм, является двухслойной и имеет индуктивность 24 мкГн, а принимающая имеет прямоугольную форму с размерами 40×30 мм и обладает индуктивностью в 13 мкГн. Резонансные частоты передающего и принимающего контуров согласованны с частотой 200 кГц. Это обеспечивают конденсаторы в колебательных контурах передатчика и приёмника емкостью 33 нФ и 47 нФ соответственно. Блок заряда питается от бортовой сети 24 В и потребляет около 3 А. В приемном блоке в таком случае индуцируется ток, позволяющий обеспечить рабочую систему питанием мощностью около 10 Вт.