МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Настоящая полезная модель относится к зарядным устройствам аккумуляторов различных мобильных устройств (МУ), например мобильных телефонов, планшетных компьютеров.
Современная тенденция - производство мобильных устройств с беспроводной (бесконтактной) методикой зарядки. В таких устройствах зарядка штатного аккумулятора МУ происходит по следующей схеме. От электросети энергия поступает к базовой станции (отдельному блоку зарядного устройства) далее на первичную обмотку, далее энергия передается магнитным полем через воздушный зазор к вторичной обмотке расположенной уже в МУ, далее через выпрямительное устройство поступает в аккумулятор, где накапливается, обеспечивая зарядку аккумулятора. Наряду с рядом преимуществ, которые обеспечивает беспроводный метод зарядки МУ, имеется и существенное ограничение этого метода. Передача энергии обеспечивается магнитным полем через воздушный зазор и величина передаваемой мощности резко падает при увеличении воздушного зазора. Беспроводная зарядка МУ происходит, когда устройство лежит в определенном положении на базовой станции, которая получает питание от электрической сети (http://www.wirelesspowerconsortium.com/).
Такое решение, когда базовая станция с первичной обмоткой привязана к сетевой розетке, дает весьма ограниченную мобильность. Часто у пользователя нет достаточного количества времени (несколько часов) рядом с розеткой для зарядки аккумуляторной батареи МУ. Беспроводная зарядка, по сути, не решает проблему питания МУ в условиях частых командировок, когда доступ к сетевым розеткам ограничен.
Известны технические решения, например компании «Energizer», когда зарядное устройство содержит свой дополнительный аккумулятор и питание МУ обеспечивается от сети или без подключения к сети (розетке) от этого дополнительного аккумулятора. Такое зарядное устройство (с дополнительным аккумулятором) обеспечивает пользователю мобильность, но и дополнительные аккумуляторы разряжаются, а их заряд занимает часы. Разрядив дополнительный аккумулятор, пользователь должен опять вернуться к бытовой сети на несколько часов для зарядки теперь уже двух аккумуляторов. Разработка аккумуляторов позволяющих укорить заряд ведутся, но в настоящее время только конденсаторы позволяют проводить практически мгновенную зарядку. Уже сегодня существую СК (емкость 5000 фарад) способные накапливать энергию более 10 кДж в одной банке (http://www.energizer.com/charging/rechargeable-battery-charger/Pages/universal-charger.aspx).
Идея замены накопителя энергии - аккумулятора с медленной зарядкой на СК позволяющие обеспечить быстрый заряд за несколько секунд, представляется весьма перспективной, но простой заменой одного накопителя энергии на другой (аккумулятор на СК) не реализуется. Требуется разработать комплекс специальных технических решений для реализации идеи быстрой зарядки и длительного питания МУ.
Наиболее близким к заявленному технического решением является зарядное устройство для мобильных телефонов, принятое за прототип, известное из заявки США US 2011/0111811 A1, H04M 1/00, опубл. 12.05.2011. Это зарядное устройство для мобильных телефонов содержит СК - накопитель энергии, который заряжается от фотоэлектрического модуля преобразующего энергию света в электрическую. Маломощный фотоэлектрический модуль не способен обеспечить работу МУ, но он медленно заряжает СК, который накопив энергию способен быстро разряжаться и обеспечивать питание, отдавая энергию в течении нескольких минут. Тут работает идея медленный заряд от фотоэлемента и относительно быстрый разряд с мощностью достаточной для работы. В случае когда СК разрядился работает аккумулятор. Однополюсный переключающий элемент на два направления, который по команде от компаратора, являющегося блоком управления, подключает либо СК, либо батарею питания для питания МУ.
Основным недостатком такого устройства является длительное время, зарядки СК от энергии света и длительное время зарядки аккумуляторной батареи от сети. В данном устройстве не рассматривается возможность быстрой зарядки СК от сети.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении времени заряда мобильного устройства и обеспечении его автономной работы без подключения к сети электроснабжения.
Заявленный технический результат достигается тем, что мобильное устройство электропитания выполнено с возможностью соединения с внешним источником электрической энергии и содержит накопитель энергии, включающий по меньшей мере один суперконденсатор, блок управления и переключатель. Кроме того, он дополнительно содержит зарядное устройство и преобразователь напряжения. Причем накопитель энергии соединен с преобразователем напряжения, а зарядное устройство через переключатель соединено с блоком управления и накопителем энергии.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие конструктивные особенности.
Накопитель энергии выполнен в виде батареи суперконденсаторов.
Переключатель выполнен в виде полупроводникового ключа.
Емкость суперкондерсатора составляет от 300 до 4000 Ф.
Наличие в предлагаемом устройстве зарядного устройства и накопителя энергии, содержащего по меньшей мере один суперконденсатор, который соединен с зарядным устройством через переключатель, позволяет в течение короткого периода времени обеспечивать заряд суперконденсатора необходимой энергией. При достижении заданного уровня напряжения, переключатель, управлямый блоком управления, отключает накопитель энергии от зарядного устройства.
В качестве накопителя энергии в предлагаемом портативном зарядном устройстве используются суперкондерсатор (СК) или батареи суперконденсатора. Суперконденсаторы - устройства для накопления энергии, которые занимают промежуточное положение между обычными конденсаторами и аккумуляторами. Они обладают большой емкостью и способны накапливать больше энергии, но при этом, в отличие от аккумуляторов, способны быстро эту энергию высвобождать и накапливать. СК обладают высокой удельной мощностью, ресурсом не менее миллиона циклов заряда-разряда, не требуют технического обслуживания и надежно работают в условиях экстремальных температур.
Данное устройство выполняет функцию резервного источника питания в отсутствии возможности подключения мобильного устройства для подзарядки к сетям электроснабжения. Для надежной работы устройства в этом режиме, с точки зрения обеспечения требуемого ограничения напряжения, переключатель выполнен в виде средства с односторонней проводимостью, например в виде полупроводникового ключа.
В зависимости от потребностей МУ выбирается емкость суперкондерсатора которая может составлять от 300 до 4000 Ф. На суперкондерсатор подается напряжение в диапазоне от 1,5 до 2.7 В при токе 10А. Зарядка суперконденсатора длится менее 120 сек, предпочтительно в диапазоне от 10 до 120 сек.
На иллюстрации представлена схема мобильного устройства электропитания.
Мобильное зарядное устройство включает в себя накопитель энергии, содержащий суперконденсатор 1, зарядное устройство 2, выполненное с возможностью подсоединения к внешнему источнику электрической энергии 3, преобразователь напряжения 4, полупроводниковый переключатель 5, блок управления (БУ) 6 и аккумуляторная батарея мобильного устройства 7.
В заявляемом мобильном устройстве электропитания зарядное устройство 2 преобразует энергию электросети (220 В; 50 Гц) в выходной ток постоянной полярности для зарядки накопителя энергии - СК 1. Преобразователь напряжения 4 обеспечивает преобразование напряжения заряженного СК 1 в постоянное напряжение, необходимое для подзарядки аккумуляторной батареи 7 соответствующего МУ. Это обусловлено тем, что напряжение на обкладках конденсатора со временем уменьшается, и существует необходимость поддерживания постоянного напряжения для подзарядки МУ.
Количество СК в накопителе энергии может различаться. Переключатель 4, который может быть выполнен в виде полупроводникового ключа, обеспечивает отключение СК 1 от зарядного устройства 2 при достижении заданного напряжения заряда, либо подключает СК 1 к ЗУ 2 при низком уровне напряжения. Блок управления 6 получает питание с выхода преобразователя напряжения 4 и обеспечивает управление (замыкание или размыкание) переключателя 5. При достижении уровня напряжения на СК 1 до его максимального значения БУ 6 подает сигнал на переключатель 5 и отключает СК 1 от ЗУ 2.
Устройство работает следующим образом.
При подключении МУ к мобильному устройству электропитания происходит заряд аккумуляторной батареи 7 МУ от СК 1 через преобразователь напряжения 4. При достижении разряда СК 1 зарядка МУ прекращается.
1
2
2
Поскольку при подключении СК имеет заряд U при окончании имеет разряд U. Запас энергии СК определяется W=C·U/2, т.е. пропорционален квадрату напряжения.
Для продолжения работы МУ требуется зарядка накопителя энергии - СК. Для этого мобильное устройство электропитания подключается к внешнему источнику электропитания 3, происходит заряд СК токами i от ЗУ 2 в составе МУЭ. Время зарядки определяется следующим образом:
1
2
Δt=c*(U-U)/i,
где
Δt - время заряда суперконденсатора;
c - емкость конденсатора;
1
U - максимальное напряжение на конденсаторе;
2
U - остаточное напряжение на конденсаторе;
i - величина тока.
Поскольку заряд СК занимает немного времени, обеспечивается возможность использования устройства в качестве основного и резервного источника питания для зарядки аккумуляторной батареи МУ.