АВТОНОМНОЕ ПЕРЕНОСНОЕ УСТРОЙСТВО ИНДУКТИВНОЙ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
SELF-CONTAINED PORTABLE DEVICE FOR INDUCTIVE CHARGING OF ACCUMULATOR BATTERY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов, и может быть использовано для заряда аккумуляторных батарей (АКБ), обеспечивающих автономное электропитание различных технических устройств и систем, преимущественно, мобильных и портативных, к которым предъявляются повышенные требования по надежности функционирования и эффективности применения в сложных условиях эксплуатации.
Общемировая тенденция – внедрение в электрические устройства блоков для беспроводной подзарядки АКБ. С учетом роста энергопотребления устройств и невозможности кардинально увеличить объем их АКБ, остро встает вопрос о необходимости наличия портативных устройств подзарядки. При этом развитие технологий беспроводной передачи энергии и наличие их в различных электрических устройствах, открывает широкие возможности для внедрения ее в переносные зарядные устройства (Режим доступа: https://www.wirelesspowerconsortium.com/, дата доступа 27.08.2018).
Из уровня техники известны различные аналоги предлагаемого устройства. Так, известно устройство, позволяющее осуществлять подзарядку портативных компьютеров и электронных устройств. Беспроводная система электропитания для индуктивной передачи энергии на съемное удаленное устройство содержит: индуктивное электропитание для генерации электромагнитного поля; подставку для подзарядки, перемещаемую между первым положением для поддержки удаленного устройства в первой ориентации на первой поверхности передачи энергии и вторым положением для поддержки удаленного устройства во второй ориентации на второй поверхности передачи энергии, причем каждая из указанных поверхностей передачи энергии поддерживает указанное удаленное устройство в пределах указанного электромагнитного поля; и первый первичный элемент, расположенный на или в пределах указанной подставки для подзарядки, причем указанный первичный элемент соединен с указанным индуктивным электропитанием, чтобы генерировать указанное электромагнитное поле, указанный первичный элемент установлен так, чтобы индуктивно соединяться с удаленным устройством, когда оно установлено в указанной первой ориентации или указанной второй ориентации (RU 2493579, МПК G06F 1/26, опубл. 20.09.2013).
К основным недостаткам известного прибора можно отнести низкую передаваемую мощность, обеспечение неподвижности съемного устройства в процессе зарядки, отсутствие мобильности базового устройства, громоздкость и сложность конструкции, а также высокую цену изделия.
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
Известна универсальная портативная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения, имеющая средства для зарядки переменного тока, зарядки постоянного тока, разрядки переменного тока и разрядки постоянного тока и управляющие средства для управления только одним из средств для зарядки и разрядки переменного тока и постоянного тока, или двух или более средств для одновременной зарядки и разрядки переменным током и постоянным током, преобразователь, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем, электрически соединенным с преобразователем. В портативной системе аккумулирования электроэнергии и электроснабжения n преобразователь контролируется, чтобы шунтироваться, когда электроэнергия переменного тока доступна из сетевого источника электроснабжения переменного тока, соединенного с преобразователем, обеспечивать электроэнергию постоянного тока к аккумуляторным модулям при верхнем напряжении (V) для зарядки аккумуляторных модулей, останавливать обеспечение электроэнергии постоянного тока для подзарядки аккумуляторных модулей, когда (V)≥(V'), где V' – напряжение, предохраняющее преобразователь от зарядки, в то время как он подзаряжает аккумуляторные модули, и останавливать обеспечение электроэнергии переменного тока к устройствам, когда (V)≥(V”), где V” – напряжение, предохраняющее преобразователь от повреждения входом высокого напряжения постоянного тока, и разрешать разрядку аккумуляторных модулей до тех пор, пока напряжение (V) аккумуляторных модулей не достигнет состояния (V)<(V), где V – нижний предел напряжения преобразователя, и разрешать дополнительную разрядку аккумуляторных модулей, когда напряжение возвращается к состоянию (V)>(V), где V находится в нормальном рабочем диапазоне напряжения преобразователя, как только возникло состоянием (V)<(V) в более ранней разрядке (RU 2444105, МПК H02J 7/00, опубл. 27.02.2012).
Основным преимуществом известной системы является возможность использования ее в качестве источника постоянного и переменного тока для электропитания и подзарядки электронных устройств. В качестве общего недостатка можно указать отсутствие возможности обеспечения адаптивного управления элементами системы электропитания постоянного тока, а также большие габариты и отсутствие мобильности данной системы.
Наиболее близким к заявленному изобретению является система индуктивной зарядки АКБ портативного устройства, в котором в известное устройство, состоящее из зарядной платформы, содержащей блок электропитания, преобразователь тока/напряжения, первичную катушку, датчик тока/напряжения и контроллер зарядной платформы, который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла преобразователя тока/напряжения и с первым портом узла датчика тока/напряжения, который своим вторым портом соединен с первым портом узла первичной катушки, который вторым портом соединен со вторым портом узла преобразователя тока/напряжения, который третьим портом соединен со вторым портом узла блока электропитания, который выполнен с возможностью подключения своим первым портом к электросети 220 В, и соединенного с ней беспроводным способом портативного устройства, содержащего вторичную катушку, драйвер, выпрямитель/регулятор напряжения/тока, контроллер заряда, АКБ и индикатор, который своим входом соединен с первым портом узла контроллера заряда, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла выпрямителя/регулятора напряжения/тока, со вторым портом узла выпрямителя/регулятора напряжения/тока и со вторым портом узла драйвера, который первым портом соединен со вторым портом узла вторичной катушки, который вторым портом соединен с третьим портом узла выпрямителя/регулятора напряжения/тока, и выполненную с возможностью беспроводной передачи электроэнергии от узла зарядной платформы к узлу портативного устройства по стандарту типа Qi для осуществления индуктивной зарядки узла АКБ, дополнительно в состав его узла зарядной платформы введен сенсорный экран, который своим портом соединен с третьим портом узла контроллера зарядной платформы, при этом, узел сенсорного экрана выполнен с возможностью ввода и отображения буквенной, цифровой, символьной и графической/информации. Узел контроллера зарядной платформы функционирует по программе, обеспечивающей возможность поддержки функций узла сенсорного экрана по вводу и выводу различных видов информации, эмуляции интерактивного интерфейса пользователя системы с визуализацией на узле сенсорного экрана виртуальной клавиатуры и элементов оконного интерфейса и использования их для настройки канала беспроводной передачи электрической энергии между узлами зарядной платформы и портативного устройства путем оптимизации их взаимного позиционирования по критерию минимизации количества ошибок, возникающих в коммуникационном/служебном канале связи между узлами портативного устройства и зарядной платформы, осуществления непрерывного мониторинга беспроводной передачи электричества между узлами зарядной платформы и портативного устройства в процессе выполнения зарядки узла АКБ с выводом на узел сенсорного экрана сообщений/данных, отражающих эффективность беспроводной передачи электричества, управления режимом обслуживания/зарядки узла АКБ, например, путем выбора/установки нормального или ускоренного режима его заряда, а также визуализации состояний узла АКБ, например, степень его заряда и/или значение его электрически параметров (RU 133370, МПК H02J 7/00, опубл. 10.10.2013).
Блок преобразователя тока/напряжения прототипа выполняет функцию DC-DC преобразователя, используемого в заявленном решении. Блок выпрямителя/регулятора напряжения/тока прототипа выполняет функцию DC-АC преобразователя, используемого в заявленном решении. Блок контроллера заряда платформы прототипа выполняет функции управляющих микроконтроллеров, используемых в заявленном решении.
Описанные выше блоки в известном решении обеспечивают расширение функциональных возможностей устройства, связанных с повышением эффективности контроля и управления индуктивной зарядкой АКБ. Однако прототип имеет несколько существенных недостатков:
– отсутствие АКБ в аппарате и, как следствие, необходимость наличия стационарной электрической сети 220 В для осуществления подзарядки мобильных/портативных устройств;
– отсутствие вариативности в возможности использования разных источников питания, а именно наличие только одного проводного типа питания существенно снижает мобильность устройства и затрудняет его использование на рабочем месте.
Задачей заявленного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в увеличении мобильности источника питания, использующего принцип беспроводной индуктивной зарядки, обеспечении его автономной работы без подключения к сети энергоснабжения, а также расширении спектра возможностей для подзарядки данного типа зарядного устройства.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что автономное устройство индуктивной зарядки АКБ содержит накопитель энергии – АКБ, а также несколько различных типов разъемов для проводной зарядки, кроме того использован индуктивный метод передачи энергии не только для передачи, но и для получения электрической энергии.
Сущность изобретения заключается в том, что  автономное переносное устройство индуктивной зарядки АКБ состоит из двух блоков. Первый блок включает вход, соединенный с зарядным устройством, которое соединено с АКБ, которая соединена с DC-DC преобразователем, который соединен с выходом, а управляющий микроконтроллер соединен с зарядным устройством, АКБ, DC-DC преобразователем и индикатором заряда. Во втором блоке переключатель соединен DC-AC преобразователем, AC-DC преобразователем, первичной катушкой, управляющим микроконтроллером, который соединен с синхронизирующим элементом. Датчик тока/напряжения соединен с первичной катушкой и управляющим микроконтроллером. DC-AC преобразователь соединен с выходом первого блока, AC-DC преобразователь соединен с входом первого блока.
На чертеже представлена схема автономного переносного устройства индуктивной зарядки АКБ.
Автономное переносное устройство индуктивной зарядки АКБ состоит из двух блоков.
Первый блок I включает вход 1, соединенный с зарядным устройством 2, которое соединено с АКБ 3, которая соединена с DC-DC преобразователем 4, который соединен с выходом 5, индикатор заряда 7 и управляющий микроконтроллер 6. Управляющий микроконтроллер 6 соединен с зарядным устройством 2, АКБ 3, DC-DC преобразователем 4, индикатором заряда 7.
Второй блок II включает DC-AC преобразователь 8, АC-DC преобразователь 9, переключатель 10,  первичную катушку 11, управляющий микроконтроллер 12, датчик напряжения/тока 13, синхронизирующий элемент 14. Переключатель 10 соединен DC-AC преобразователем 8, AC-DC преобразователем 9, первичной катушкой 11, управляющим микроконтроллером 12, который соединен с синхронизирующим элементом 14. Датчик тока/напряжения 13 соединен с первичной катушкой 11 и управляющим микроконтроллером 12. DC-AC преобразователь 8 соединен с выходом 5 первого блока I, AC-DC преобразователь 9 соединен с входом 1 первого блока I. Первичная катушка 11 может быть также использована в качестве приемника внешней энергии.
Устройство работает следующим образом. Вход 1 представляет собой разъем для приема электромагнитной (э/м) энергии посредством передачи ее проводным способом от стационарных или мобильных источников питания для последующей зарядки АКБ 3, а также соединен с блоком 9, позволяющим осуществлять преобразование э/м энергии, получаемой беспроводным индуктивным способом с помощью первичной катушки 11, выступающей в данном случае приемником э/м энергии. Зарядное устройство 2 для использования принятой э/м энергии в качестве подзарядки для АКБ 3. АКБ 3 представляет собой накопитель электрической энергии, зачастую, но не обязательно, являющийся литий-ионным аккумулятором. DC-DC преобразователь 4 осуществляет преобразование уровня напряжения до необходимого для подзарядки определенного устройства. После этого энергия поступает на выход 5, представляющим собой ряд выводов для проводной зарядки различных типов мобильных и портативных устройств, а также соединенным с DC-АC преобразователем 8, который осуществляет преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока для его дальнейшей беспроводной передачи с помощью первичной катушки 11, с целью подзарядки беспроводным индуктивным способом портативных и мобильных устройств, поддерживающих данную технологию. Управляющий контроллер 6 осуществляет управление блоками 2, 3, 4, а также индуктором заряда 7 для индикации зарядка АКБ 3. Блок II позволяет использовать энергию АКБ 3 для передачи ее беспроводным индуктивным способом для подзарядки мобильных и портативных устройств, а также осуществляет прием э/м энергии для подзарядки АКБ 3. Передача э/м энергии реализуется с помощью блоков 8, 10, 11, 12, 14. Постоянное напряжение, пришедшее с блока 5 на блок 8 преобразуется на нем в переменное, а дальше через переключатель 10 поступает на первичную катушку 11, откуда и осуществляется распространение переменного электрического поля в пространство. При приеме э/м энергии, наведенное на блоке 11 ЭДС фиксируется блоком 13, который подает сигнал на управляющий микроконтроллер 12, который передает управляющий сигнал на переключатель 10, который, в свою очередь, распределяет энергию на вход 1 устройства вследствие чего осуществляется зарядка АКБ 3. В случае необходимости передачи управляющий микроконтроллер 12, формирует управляющий сигнал на блок 10, осуществляющий переключение между цепями заряда и разряда. Синхронизирующий элемент 14 позволяет получать данные о наличие вблизи от данного аппарата мобильных и портативных устройств, требующих подзарядки своих АКБ 3.
По сравнению с известным предлагаемое позволяет увеличить мобильность источника питания, использующего принцип беспроводной индуктивной зарядки, обеспечивать его автономную работу без подключения к сети энергоснабжения, а также расширить спектр возможностей для подзарядки данного типа зарядного устройства.