УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОЙ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов (аккумуляторов), и может быть использована в системах электропитания различных технические устройства и системы (ТУС) для заряда интегрированных в них аккумуляторных батарей (АКБ), преимущественно, для обеспечения беспроводной индукционной зарядки АКБ мобильных/портативных электронных устройств/приборов, особенно, к которым предъявляются повышенные требования по надежности функционирования и простоте/удобству применения.
Для обеспечения потребностей современного общества широко используются мобильные/портативные электронные устройства/приборы (ПЭП) типа носимых радиостанций, мобильных телефонов, медицинских приборов, разнообразных датчиков систем мониторинга/сбора данных и др, Как правило, ПЭП функционируют в автономном режиме с электропитанием от встроенных в них АКБ, восстановление работоспособности которых осуществляется с помощью зарядных устройств (ЗУ). При этом, наиболее распространена практика использования для зарядки АКБ, интегрированной в ПЭП, простейших зарядных устройств, которые проводным/контактным способом (с помощью разъемов и кабелей) подключаются к ПЭП. Практическое использование такой системы электропитания электронного прибора (СЭЭП) имеет низкую эффективность, с точки зрения обеспечения высокой надежности функционирования и простоты/удобства применения ПЭП. Это обусловлено действием факторов объективного и субъективного характера, которые могут вызывать отказы СЭЭП, приводящие к потере работоспособности, как АКБ, так и ПЭП. Низкая эффективность СЭЭП обусловлена низкой надежностью элементов проводного интерфейса (ЭПИ), посредством которого зарядное устройство подключается к ПЭП. Именно ЭПИ, которые реализуются на основе проводов и разъемов, подвержены интенсивному износу, так как весьма уязвимы к внешним воздействиям. Типовыми факторам, снижающими надежность ЭПИ, являются факторы окружающей среды типа типа пыли и влаги, вызывающие загрязнения/окисления/коррозию элементов ЭПИ, и механические нагрузки различного характера, из-за действия который могут возникать разрывы в проводниках кабеля/провода и деформации/разрушения конструкции разъемов, входящих в состав ЭПИ. В результате воздействия на ЭПИ факторов внешней среды, в том числе, не корректных действий физических лиц/пользователей ПЭП и ЗУ (например, небрежного обращения с ПЭП, ЗУ и ЭПИ), надежность СЭЭП может значительно снижаться. Следует также заметить, что в результате загрязнений/окисления/коррозии, возникающих на ЭПИ, может также происходить значительное увеличение сопротивления электрической цепи, по которой осуществляется зарядка АКБ. Как известно, типовыми неисправностями ЭПИ являются снижение качества контактов или возникновение разрыв в электрической зарядной цепи, что вызывает, соответственно, значительное увеличение длительности или полное прекращение зарядки АКБ. По этим причинам в СЭЭП могут возникать неисправности, приводящие к частичной или полной потере работоспособности, как самой АКБ, так и ПЭП в целом.
Как известно, многие из ПЭП используются в ответственных сферах деятельности людей, например, в службах экстренной помощи, подразделениях силовых структур (полиция, вооруженные силы государства и др.), где к ПЭП предъявляются повышенные требования по надежности и эффективности применения в сложных условиях и стрессовых (для пользователей ПЭП) ситуациях (СУСС). Очевидно, что при использовании системы «ПЭП+ЗУ» в СУСС, надежность такой СЭЭП, в которой используется ЗУ с проводным/контактным ЭПИ, существенно снижается, что обусловлено действием упомянутых факторов внешней среды, в том числе, факторов субъективного характера.
В процессе исследований установлено, что известные из техники СЭЭП имеют низкую надежность и не удобны в применении для восстановления работоспособности АКБ, обеспечивающей электропитанием ПЭП, что существенно влияет на эффективность применения ПЭП, особенно, при их эксплуатации в сложных условиях и/или в стрессовых (для пользователя ПЭП) ситуациях, поэтому, поиск новых, более совершенных технических решений в этой области, является актуальной задачей.
Исследования показали, что решение поставленной задачи, связанной с повышением эффективности эксплуатации ПЭП, в том числе, в СУСС, затруднено из-за наличия следующего противоречия. Так, с одной стороны, для того, чтобы выполнить зарядку АКБ, встроенной в ПЭП, и обеспечить его автономное функционирование, систему «ЗУ+ЭПИ» - использовать нужно. С другой стороны, использование системы типа «ЗУ+ЭПИ», существенно снижает эффективность применения ПЭП, особенно в СУСС, что обусловлено низкой надежностью СЭЭП, так как ЭПИ уязвимы к действию упомянутых внешних факторов внешней среды, поэтому систему «ЗУ+ЭПИ» - использовать не нужно. Очевидно, что без использования системы «ЗУ+ЭПИ», восстановление работоспособности АКБ, обеспечивающей автономное функционирование ПЭП, становится не возможным.
Исследования показали, что систему электропитания ПЭП можно представить в виде модели, содержащей следующие звенья: «АКБ - Интерфейс - ЗУ», где АКБ - аккумуляторная батарея, обеспечивающая автономное функционирование ПЭП, ЗУ - зарядное устройство, используемое для обслуживания/заряда АКБ, Интерфейс - способ и средства, используемые для соединения/подключения зарядного устройства к ПЭП при выполнении зарядки встроенной в него АКБ. Анализ предложенной модели СЭЭП показал, что наиболее «слабым/ключевым звеном», с точки зрения обеспечения надежности и простоты/удобства применения ПЭП, особенно, при его эксплуатации в СУСС, является звено «интерфейс», поэтому авторы исследования сосредоточили основное внимание на поиске технического решения, позволяющего «усилить» (повысить надежность и удобство применения) именно этого звена. Предполагается, что повышение надежности «ключевого звена» позволит повысить эффективность, как СЭЭП, так и ПЭП в целом.
Информационным/патентным поиском установлено, что известные устройства/системы/технические решения, функционирующие с использованием автономных систем электропитания, которые соответствуют предложенной модели типа «АКБ - Интерфейс - ЗУ», имеют существенные недостатки, снижающие эффективность (надежность и удобство/простоту) их применения, особенно, в СУСС.
Так, из техники [Л1] известна система электропитания мобильного телефона (далее - система), состоящая из мобильного телефона (МТ), содержащего индикатор, аккумуляторную батарею (АКБ), порт подключения внешних устройств (ППВУ) и контроллер заряда (КЗ), который своими первым, вторым и третьим портами соединен, соответственно, с узлом АКБ, с индикатором и с первым портом узла ППВУ, который выполнен в виде разъема, установленного на корпусе МТ, и обеспечивающего возможность механического и электрического подключения к МТ внешних устройств, и соединяемого (по мере необходимости заряда узла АКБ) с ним проводным/контактным способом зарядного устройства (ЗУ), содержащего последовательно соединенные проводной интерфейс (ПИ), стабилизатор напряжения/тока (СНТ), блок питания (БП) и сетевой кабель (СК). При этом, система выполнена с возможностью проводного/контактного подключения узла ЗУ к узлу МТ для осуществления процедуры заряда узла АКБ. Кроме того, узел ПИ выполнен в виде кабеля со штекером с возможностью подключения ко второму порту узла ППВУ, узел ЗУ выполнен в виде сетевого адаптера, обеспечивающего формирование и подачу на узел МТ напряжения, необходимого для заряда узла АКБ.
Устройство функционирует следующим образом. Узел МТ получает электропитание от АКБ. Для заряда узла АКБ используется узел ЗУ, который по мере необходимости (для зарядки узла АКБ) подключается к узлу МТ. Узел ЗУ представляет собой типовой сетевой адаптер/зарядное устройство, подключение которого к МТ осуществляется с помощью проводного/контактного соединения с использованием узлов ППВУ и ПИ. При этом, узлы ППВУ и ПИ выполнены, соответственно, в виде многоштырькового разъема, установленного на корпусе узла МТ, и в виде кабеля со штекером. Узлы ППВУ и ПИ выполнены с возможностью механического сочленения и электрического подключения цепей, обеспечивающих коммутацию/подачу от узла ЗУ к узлу МТ напряжения, необходимого для осуществления заряда узла АКБ. В исходном состоянии степень заряда узла АКБ отображается с помощью индикатора. Например, после разряда АКБ, цвет свечения индикатора изменяется с зеленого на красный. В этом случае, возникает необходимость выполнить заряд узла АКБ. Для этого пользователь системы подключает (механически и электрически соединяет) между собой узлы ПИ и ППВУ и подключает узел СК к сетевой розетке (220 В, 50 Гц). Напряжение с выхода узла ЗУ поступает через узлы ПИ и ППВУ на узел АКБ и, под управлением узла КЗ, осуществляется зарядка узла АКБ. Режим заряда узла АКБ определяется алгоритмами, установленными в узле КЗ. Например, если узел состоит из литий-полимерных аккумуляторов, то их заряд осуществляется типовым способом, известным из [Л2]. После того как узел АКБ заряжен, цвет свечения индикатора изменяется с красного на зеленый. После этого оператор/пользователь системы может отключить узел ЗУ от узла МТ путем физического отсоединения узла ПИ от узла ППВУ.
Данная система имеет низкую надежность и не удобна в использовании, что обусловлено следующими причинами. Так, использование узлов ППВУ и ПИ, которые выполнены в виде типовых разъемов, обеспечивающих коммутацию электрических цепей, используемых для заряда узла АКБ, существенным образом снижает надежность функционирования системы и удобства ее применения. Это, в свою очередь, вызвано тем, что любое механическое сочленение, используемое для соединения/коммутации электрических цепей, подвержено износу/разрушению, в том числе, из-з действия процессов трения/истирания, возникающих при механическом сочленении разъемов, их коррозии, а также из-за небрежного обращения с этими узлами (ППВУ и ПИ) его пользователями/физическими лицами в процессе эксплуатации системы (при выполнении процедур заряда узла АКБ). Также, узлы ППВУ и ПИ уязвимы к воздействию механических нагрузок (вибраций, ударов, чрезмерных нажимов, перегибов/перекосов, растяжений и т.п.) и к воздействию различных факторов внешней среды (повышенный уровень влажности, запыленности и др.), в результате действия которых ускоряются процессы износа и выхода из строя узлов ППВУ и ПИ, что служит источником непредвиденных/преждевременных отказов в работе, как СЭЭП, так и ПЭП, особенно в СУСС.
Из техники [Л3] известна система электропитания портативной радиостанции (далее - система), состоящая из радиостанции (РС), содержащей аккумуляторную батарею (АКБ), индикатор, порт подключения внешних устройств (ППВУ) и контроллер заряда (КЗ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с узлом АКБ, с узлом индикатора и с узлом ППВУ, и соединенной с ней посредством проводной/контактной связи зарядного устройства (ЗУ), содержащего последовательно соединенные проводной интерфейс (ПИ), стабилизатор напряжения/тока (СНТ), сетевой блок питания (БП) и сетевой кабель (СК). При этом, узел ЗУ выполнен в виде сетевого адаптера, обеспечивающего формирование и подачу на узел ПИ напряжения, необходимого для заряда узла АКБ, узел ПИ выполнен в виде кабеля со штекером, обеспечивающим возможность подключения ЗУ ко второму порту узла ППВУ для осуществления процедуры заряда узла АКБ.
Функционирование данной системы осуществляется аналогично предыдущему устройству. Отличия могут быть только в используемом алгоритме заряда узла АКБ, реализуемом узлом КЗ.
Данная система частично устраняет недостатки предыдущей системы, что достигается за счет того, что узел РС разработан и изготовлен для эксплуатации в сложных условиях. Корпус РС изготовлен с применением прочных/износостойких конструктивных элементов (литое алюминиевое шасси) и имеет брызгозащищенное исполнение. Внешние разъемы, в том числе узел ППВУ, герметизированы резиновыми уплотнителями и усилены болтовыми соединениями. Это обеспечивает повышенную устойчивость узлов ППВУ и ПИ к воздействию внешних факторов среды, в том числе, механических нагрузок, пыли и влаги. Поэтому, звено «интерфейс» данной системы имеет более высокую надежность.
Данная система имеет недостатки, аналогичные предыдущей системе. Это обусловлено тем, что звено «интерфейс» организовано с использованием конструктивных элементов (разъемов, кабелей), которые имеет низкую надежность, поскольку уязвимы к воздействиям факторов внешней среды. Узлы ППВУ и ПИ, особенно, в СУСС, подвержены, интенсивному износу, разрушению под действием механических нагрузок, пыли, влаги и других факторов внешней среды. Наличие проводных соединений, устанавливаемых при осуществлении процедур заряда узла АКБ, весьма неудобны в применении, особенно, в СУСС.
В процессе исследований рассмотрена возможность повышения эффективности упомянутого звена «интерфейс» за счет его реализации на основе технологии беспроводной передачи электроэнергии (БПЭ) для использования ее в целях зарядки АКБ, встроенной в ПЭП. Эта идея основана на том, что исключение из «интерфейса» громоздких и неудобных в использовании элементов (узлов ППВУ и ПИ), которые подвержены влиянию факторов внешней среды (интенсивному износу, разрушению под действием механических нагрузок, пыли, влаги и др.), а также затрудняющих обслуживание/зарядку узла АКБ, позволяет значительно повысить эффективность, как СЭЭП, так и ПЭП, особенно в СУСС.
Из техники [Л4, Л5] известны способы БЭП, среди которых наибольшее распространение/использование в системах электропитания, обеспечивающих восстановление работоспособности АКБ портативных устройств, получила беспроводная индукционная зарядка (БИЗ), основанная на использовании эффекта электромагнитной индукции. Для реализации БЭП индукционным способом используются индуктивно связанные катушки, расположенные в передающей и приемной цепях. БЭП осуществляется путем создания в передающей катушке переменного тока, который образует в локальном пространстве, в котором должна быть размещена и приемная катушка, электромагнитное поле (ЭПМ). Под действием ЭПМ в приемной цепи создается напряжение, которое может использоваться для зарядки АКБ, встроенной в ПЭП. Отмечается, что технология БЭП, используемая для индукционной зарядки АКБ портативных/мобильных приборов/устройств/систем обладает рядом достоинств, в том числе, удобством применения, поскольку пользователи ПЭП для выполнения зарядки АКБ просто кладут это ПЭП на корпус/зарядную платформу ЗУ, универсальностью, поскольку пользователи могут осуществлять зарядку любых моделей ПЭП от стандартного беспроводного зарядного устройства, практичностью, поскольку ИЗУ позволяет выполнять одновременную зарядку нескольких ПЭП, а также высокой надежностью, поскольку при обслуживании АКБ отсутствуют проводные соединения между ЗУ и ПЭП и его конструкция может быть выполнена с достаточной надежностью (например, более надежно герметизирована) и приспособлена для использования в СУСС.
Из техники [Л6] известен стандарт для беспроводной индукционной передачи энергии Qi, регламентирующий работу передатчика, располагаемого на зарядной платформе (ЗП), и совместимого с ним приемника, который может быть интегрирован в состав ПЭП для осуществления зарядки встроенной в него АКБ. Согласно стандарту Qi, для БЭП используется электромагнитная индукция между двумя плоскими катушками. Одна из них интегрируется в зарядную платформу (ЗП) и подключается к источнику энергии, а вторая - является приемной и устанавливается внутри ПЭП для зарядки встроенной в него АКБ.
По мнению авторов, реализация звена «интерфейс» в предложенной модели СЭЭП на основе технологии БПЭ типа Qi, является весьма привлекательной и заслуживает более подробного исследования, поскольку появляется возможность исключить в звене «интерфейс» модели СЭЭП элементы с низкой надежностью, которые подвержены интенсивному износу, разрушению под действием механических нагрузок, пыли, влаги и других факторов внешней среды и, тем самым, обеспечить решение поставленной задачи, связанной с повышением, как надежности системы электропитания ПЭП, так и простоты/удобства его применения, особенно, в сложных условиях/стрессовых ситуациях. При этом, отсутствие в корпусе ПЭП разъемов, через которые подается электропитание от внешнего ЗУ, позволяет более надежно защитить узел АКБ и ПЭП от воздействия внешних факторов типа пыли и влаги, а возможность зарядки АКБ, встроенной в ПЭП, без использования проводов/кабелей и разъемов значительно упрощает процесс облуживания АКБ, используемой для электропитания ПЭП.
Из техники [Л7] известно устройство беспроводной передачи электроэнергии (далее - устройство), состоящее из зарядной платформы (ЗП), содержащей контроллер, индикатор, датчик присутствия электронного прибора (ДПЭП), передающую катушку (ПК) и контактную поверхность (КП), которая конструктивно (физически) соединена с узлом ПК, который своим портом соединен с первым портом узла контроллера, который своими вторым и третьим портами соединен, соответственно, со входом индикатора и выходом узла ДПЭП, при этом, узел ПК интегрирован (на физическом уровне) в узел КП, как часть резонансного контура, и выполнен с возможностью генерации комплексного переменного магнитного поля в локальной зоне, охватывающей габариты узла КП, и соединенного с ней посредством беспроводной (индуктивной) связи электронного прибора (ЭП), содержащего последовательно соединенные аккумуляторную батарею (АКБ) и приемник электромагнитной энергии (ПЭЭ), выполненный с возможностью приема от узла ЗП электромагнитной энергии и использования ее для заряда узла АКБ.
Данное устройство функционирует следующим образом. После подключения ЗП к источнику мощности, например, электросети 220 В, контроллером начинается обработка сигналов, поступающих от узла ДПЭП. Когда на контактной поверхности ЗП установлен ЭП, то его присутствие фиксируется узлом ДПЭП и этот узел посылает контроллеру сигнал, после поступления которого, контроллер активирует процесс БПЭ. Узел ПК интегрирован в контактную поверхность, как часть резонансного контура, и обеспечивает генерацию комплексного переменного магнитного поля, которое поступает к узлу ПЭЭ, где преобразуется и используется для заряда АКБ, которая обеспечивает электропитанием ЭП. Наличие процесса БПЭ отображается с помощью свечения индикатора. При завершении БПЭ индикатор выключается. Контактная поверхность, предназначенная для размещения на ней корпуса ЭП, содержит элемент типа выступов/углублений, используемых для позиционирования ЭП на ЗП, что необходимо для осуществления БПЭ с достаточной эффективностью.
Данное техническое решение (ТР) обеспечивает осуществление беспроводной передачи электрической энергии, которая может быть использована для зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора. Это ТР ориентировано на осуществление беспроводной индукционной зарядки АКБ портативной радиоэлектронной аппаратуры, которая должна быть для этого установлена на контактной поверхности и содержать необходимые приемные цепи, обеспечивающие процесс БПЭ. При этом, процедура зарядки АКБ может быть организован в соответствии с типовыми алгоритмами. К достоинствам данного ТР относится то, что оно позволяет реализовать зарядку АКБ без использования таких конструктивных элементов как узлы ППВУ и ПП (выполненные в предыдущей системе с использованием разъемов и кабеля), которые подвержены интенсивному износу, разрушению под действием механических нагрузок, пыли, влаги и других факторов внешней среды. Возможность беспроводной зарядки узла АКБ (без использования проводного/контактного соединения ПЦ и ВЦ) позволяет значительно повысить надежность и удобство применения такого типа системы электропитания. Также, к достоинствам данного ТР следует отнести автоматическую активацию передающей части, работа которой включается датчиком детекции наличия ЭП на КП, а также возможностью позиционирования и фиксации ЭП на узле КП с помощью выступов/углублений в контактной поверхности, что обеспечивает создание оптимальных условий БПЭ.
Недостатком данного ТР является низкая эффективность, с точки зрения надежности контроля и управления процессами БПЭ и режимами зарядки АКБ, а также отсутствием признаков и свойств, обеспечивающих возможность восстановления БИЗ узла АКБ без участия физических лиц. Например, при незначительном нарушении позиционирования узлов КП и ПЭЭ под действием внешних физических воздействий или при нарушениях в позиционировании узлов, когда передающая и приемная катушки удаляются друг от друга, эффективность (КПД) БПЭ может существенно снижаться. При этом, в данном ТР компенсация влияния этих воздействий с возможностью автоматического, без участия физических лиц, достижения необходимого уровня эффективности БПЭ для поддержки заданного режима зарядки АКБ и/или оповещение физических лиц о факте возникновения аварийных ситуаций - не обеспечивается. Также в данном ТР отсутствует канал управления процессом БПЭ в зависимости от состояния узла АКБ. На практике это означает, что БЭП и зарядка узла может продолжаться до тех пор, пока узел ЭП установлен на контактной поверхности ЗП, что может вызвать перезаряд узла АКБ и нарушение его работоспособности.
Из техники [Л8], известна система индуктивной зарядки аккумулятора (далее - система) состоящая из первичной цепи (ПЦ), включающей в себя источник мощности (ИМ), первичную катушку (ПК), детектор обратной связи (ДОС) и контроллер первичной цепи (КПЦ), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла ИМ и с первым портом узла ДОС, который вторым портом соединен с первым портом узла ПК, который вторым портом соединен со вторым портом узла ИМ, и связанной с ней беспроводным способом (посредством индуктивной связи - ИС), вторичной цепи (ВЦ), включающей в себя вторичную катушку (ВК), цепь обратной связи (ЦОС), аккумуляторную батарею (АКБ) и контроллер заряда (КЗ), который своими первым, вторым и третьим портами соединен, соответственно, с узлом АКБ, с первым портом узла ВК и с первым портом узла ЦОС, который вторым портом соединен со вторым портом узла ВК. При этом, узел ЦОС выполнен с возможностью формирования и передачи сигнала обратной связи к первичной цепи через индуктивную связь между ПК и ВК, узел КПЦ выполнен с возможностью управления уровнем мощности подаваемой от узла ИМ на узел ПК, в соответствии с уровнем сигналов, принимаемых от узла ЦОС по цепи обратной связи через индуктивную связь между узлами ПК и ВК, узел КЗ выполнен с возможностью реализации необходимого алгоритма заряда узла АКБ, обнаружения режимов перенапряжения/избыточного тока в цепи заряда АКБ и формирования сигналов управления узлом ЦОС, используемых для управления процессом беспроводной передачи электрической энергии (увеличения или снижения мощности передаваемой электроэнергии).
Система функционирует следующим образом. Для выполнения процедуры зарядки узла АКБ сначала осуществляется подключении узла ПЦ к питающей электросети (220 В). В простейшем случае узел ПЦ может быть реализован в виде типового сетевого блока/адаптера электропитания. От узла ИМ на узел ПК поступает переменное напряжение, мощность излучения которого управляется узлом КПЦ. Поскольку первичная и вторичная катушки системы индуктивно взаимосвязаны, то во вторичной цепи образуется входное напряжение, создаваемое за счет электромагнитной индукции, которое используется для заряда узла АКБ. При этом, узлом КЗ осуществляется контроль перенапряжения или избыточного тока, создаваемых на узле АКБ в процессе его заряда. Обнаружение этих состояний осуществляется с помощью узла КЗ, реализующего функции детектора перенапряжения и датчика избыточного тока. Для устранения действия на узел АКБ «стрессовых состояний» (перенапряжения и перезаряда), узлом КЗ подается на узел ЦОС управляющий сигнал, по которому узлом ЦОС через узлы ВК и ПК передается сигнал обратной связи, который обнаруживается узлом ДОС. Выходные сигналы узла ДОС поступают на узел КПЦ, где осуществляется оценка их уровня. После этого, узлом КПЦ формируется сигнал управления узлом ИМ, что приводит к изменению уровня мощности, излучаемой узлом ПК. Таким образом, в процессе выполнения процедуры заряда узла АКБ, узлами КПЦ и ЦОС осуществляется формирование сигнала обратной связи, который передается во вторичную цепь посредством индуктивной связи, установленной между узлами ВК и ПК. Это позволяет управлять количеством передаваемой энергии, используемой для заряда узла АКБ. Следует заметить, что узел ПК выполнен как часть колебательного контура и управление уровнем мощности, излучаемой ПЦ, осуществляется путем изменения частоты сигнала, подаваемого на ПК. Так, для повышения напряжения, создаваемого во вторичной цепи, уровень сигналов, предаваемых по цепи обратной связи, увеличивается, что вызывает сдвиг частоты сигнала, подаваемого на первичную катушку, ближе к резонансной частоте колебательного контура (частью которого является узел ПК). Для снижения мощности излучения узла ПЦ, частота сигналов, подаваемых на первичную катушку, сдвигается в сторону от резонансной частоты колебательного контура (частью которого является узел ПК). Таким образом, сигналы, поступающие по цепи обратной связи, используются для управления мощностью ЭМП, излучаемого ПЦ. По мере завершения заряда узла АКБ, сигналы в цепи обратной связи формируются таким образом, что частота сигнала, подводимого к ПК, отводится все дальше и дальше от резонанса до тех пор, пока не перестанет поступать сигнал обратной связи, что приводит, практически, к выключению процесса беспроводной передачи электрической энергии (входное напряжение на ВЦ стремится к нулю).
Данное техническое решение (ТР) частично устраняет недостатки предыдущего ТР, что обеспечивается более эффективным контролем процесса БПЭ и зарядки узла АКБ, что достигается за счет использования цепи обратной связи, обеспечивающей большую гибкость реагирования системы, как на состояние канала БПЭ, так и на состояние/режим зарядки узла АКБ.
Данная система имеет недостатки, аналогичные предыдущему ТР. Кроме того, звено «интерфейса», обеспечивающее беспроводную передачу электроэнергии при осуществлении зарядки узла АКБ, может функционировать неустойчиво/с отказами, возникающими в результате воздействии факторов внешней среды, например, нарушений точного взаимного позиционирования узлов ПК и ВК, возникновения загрязнений корпусов узлов ПЦ/ВЦ, вызывающих ослабления процесса БПЭ, влияния на процесс беспроводной передачи электроэнергии посторонних предметов, которые могут вызывать образование помех в цепи обратной связи и нарушать режим заряда узла АКБ. Также, система уязвима к факторам, носящим субъективных характер, например, из-за действий (небрежности в использовании) пользователей системы, которые могут нарушать требуемые рекомендации по обслуживанию системы, в том числе, по взаимному размещению узлов ПЦ и ВЦ. Нарушения в позиционировании узлов ПК и ВК могут создавать аварийные ситуации (АС), то есть такие состояния системы, при которых эффективности БПЭ существенно снижается и режим зарядки узла АКБ - нарушается (длительность зарядки АКБ увеличивается или прекращается). В данной системе возможность фиксации/автоматического устранения АС, а также оповещение физических лиц о факте возникновения АС - не обеспечивается. Поскольку нарушения по взаимному размещению узлов ПЦ и ВЦ, существенно влияющие на эффективность БПЭ, аппаратными средствами системы не могут быть устранены и физические лица не могут быть своевременно оповещены о возникновении АС, то это приводит к тому, что время обслуживания/зарядки АКБ, встроенной в ПЭП, может значительно увеличиваться.
Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы/технические решения, которые могут быть использованы для беспроводной индукционной зарядки АКБ, встроенной в ПЭП, имеют существенные недостатки, снижающие надежность и эффективность применения ПЭП, особенно при его эксплуатации в СУСС. Исследования показали, что основными причинами, существенно влияющими на эффективность работы и удобство практического применения устройств с БИЗ встроенных в них АКБ является критичность к условиям взаимного размещения/позиционирования зарядной платформы и ПЭП. Так, согласно [Л8], системы БЭП весьма критичны к расстоянию между катушками (ПК и ВК) и точности позиционирования их относительно друг друга. Чем точнее катушка приемника попадает в поле передатчика, тем сильнее будет ток зарядки, а значит, меньше времени будет тратиться на зарядку АКБ. При использовании БИЗ для выполнения процедуры зарядки аккумуляторов (узла АКБ) пользователь должен строго соблюдать инструкцию по взаимному расположению зарядной платформы и ПЭП, поскольку точность их позиционирования существенно влияет на эффективность зарядки, что выражается в увеличении ее длительности. Экспериментально установлено, что отклонение взаимного расположения передающей и приемной катушек (узлов ПК и ВК) на величину около 15%, вызывает снижение эффективности БПЭ и нарушение режима заряда АКБ, что выражается в увеличении длительности полного заряда аккумулятора мобильного телефона на время, около 50 минут. Также, в [Л9] отмечается, что для наиболее эффективной передачи энергии необходимо обеспечить наилучшее взаимодействие катушки-приемника с магнитным полем, создаваемы катушкой - передатчиком энергии. При этом от диаметра катушки зависит оптимальное расстояние между передатчиком и приемником. Для обеспечения оптимальных условий БПЭ катушки передатчика и приемника, имеющие радиальные размеры около 30-80 мм, согласно требованиям стандарта индуктивной зарядки Qi, известного из [Л10]), должна располагаться на расстоянии не более 3-8 мм. То есть, корпуса зарядной платформы и ПЭП должны располагаться, практически, вплотную так, чтобы обе катушки (узлы ПК и ВК) позиционировались (в горизонтальной и вертикальной плоскостях) друг возле/напротив друга. Отмечается, что при увеличении расстояния или нарушения позиционирования между узлами ПК и ВК на величину, превышающую допустимое значение (около 3-8 мм), эффективность процесса БПЭ снижается катастрофически - от 70% до нескольких процентов.
По мнению авторов, устранение недостатков, присущих известным из техники устройствам и системам беспроводной зарядки, может базироваться на таком техническом решении, в котором обеспечивается возможность непрерывного контроля эффективности процессов БПЭ и режима заряда узла АКБ с сигнализацией аварийных ситуаций (АС), связанных с нарушениями БПЭ и заряда АКБ (например, вызванных смещением ПЭП с зарядной платформы), для привлечения внимания ФЛ с целью своевременного/принятия ими мер по обеспечению условий эффективной БПЭ и поддержке заданных режимов заряда АКБ. Кроме того, поскольку даже незначительные (несколько миллиметров) смещения узлов ПК и ВК в любой из плоскостей пространства влекут снижение эффективности процессов БПЭ и режима заряда узла АКБ, которые физическому лицу трудно заметить визуально, то использование новых признаков и свойств, обеспечивающих автоматическую калибровку/настройку позиционирования узлов ПК и ВК с высокой точностью, может обеспечить существенное повышение эффективности работы СЭЭП, использующей индукционную зарядку АКБ, которая встроена в ПЭП.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л11], устройство индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора (далее - устройство), состоящее из зарядной платформы (ЗП), содержащей корпус, блок электропитания (БЭП), преобразователь тока/напряжения (ПТН) типа AC-DC, первичную катушку (ПК), датчик тока/напряжения (ДТН) и контроллер зарядной платформы (КЗП), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла ПТН и с первым портом узла ДТН, который своим вторым портом соединен с первым портом узла ПК, который вторым портом соединен со вторым портом узла ПТН, который третьим портом соединен со вторым портом узла БЭП, который выполнен с возможностью подключения своим первым портом к электросети 220 В, при этом, корпус узла ЗП выполнен со встроенным постоянным магнитом (ПМ), установленным в зоне размещения узла ПК, и соединенного с ней постоянным магнитным полем (ПМП) и переменным электромагнитным полем (ЭМП) портативного прибора (ПП), содержащего корпус, вторичную катушку (ВК), драйвер, выпрямитель/регулятор напряжения/тока (ВРНТ), контроллер заряда (КЗ), аккумуляторную батарею (АКБ) и индикатор, который своим входом соединен с первым портом узла КЗ, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла ВРНТ, со вторым портом узла ВРНТ и со вторым портом узла драйвера, который первым портом соединен со вторым портом узла ВК, который первым портом соединен с третьим портом узла ВРНТ, при этом, корпус ПП выполнен со встроенным постоянным магнитом, установленным в зоне размещения узла ВК, и выполненное с возможностью фиксации между собой корпусов ЗП и ПП с помощью встроенных в них постоянных магнитов (ПМ) и осуществления беспроводной индукционной зарядки узла АКБ по стандарту типа Qi.
Функциональная схема данного устройства представлена на фиг.1. Система (фиг.1) состоит из зарядной платформы (ЗП) 1, содержащей корпус 3 со встроенным в него постоянным магнитом (М1) 8, блок электропитания (БЭП) 11, преобразователь тока/напряжения (ПТН) 10, первичную катушку (ПК) 6, датчик тока/напряжения (ДТН) 5 и контроллер зарядной платформы (КЗП) 4, который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла ПТН 10 и с первым портом узла ДТН 5, который вторым портом соединен с первым портом узла ПК 6, который вторым портом соединен со вторым портом узла ПТН 10, который третьим портом соединен со вторым портом узла БЭП 11, который первым портом может подключаться к электросети (220 В) 12, и соединенного с ней посредством переменного электромагнитного поля (ЭМП) 7 и постоянного магнитного поля (ПМП) 9 портативного прибора (ПП) 2, содержащего корпус 13 со встроенным постоянным магнитом (М2) 14, вторичную катушку (ВК) 15, драйвер 16, выпрямитель/регулятор напряжения/тока (ВРНТ) 19, контроллер заряда (КЗ) 17, аккумуляторную батарею (АКБ) 20 и индикатор 18, который своим входом соединен с первым портом узла КЗ 13, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ 20 и первым портом узла ВРНТ 19, со вторым портом узла ВРНТ 19 и со вторым портом узла драйвера 16, который первым портом соединен со вторым портом узла ВК 15, который первым портом соединен с третьим портом узла ВРНТ 19, при этом, устройство выполнено с возможностью фиксации между собой корпусов 3 (ЗП 1) и 13 (ПП 2) с помощью встроенных в них постоянных магнитов, соответственно, М1 8 и М2 14, и осуществления беспроводной индукционной зарядки узла АКБ 20 по стандарту типа Qi.
Система (фиг.1) функционирует следующим образом. Для осуществления процедуры заряда узла АКБ 20, корпус 13 узла ПП 2 размещается/устанавливается непосредственно на корпусе 3 узла ЗП 1, который выполняет функции беспроводного индукционного зарядного устройства. Для получения высокого уровня эффективности процесса БПЭ (например, высокого КПД), узлы ПК 6 и ВК 15 должны быть максимально приближены и правильно (согласно инструкции, например, соосно) ориентированы друг относительно друга (как правило, друг напротив друга). Для фиксации взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 15, выполненного пользователем устройства при подключении ПП 2 к ЗП 1, используются постоянные магниты (М1 8 и М2 14), интегрированные в корпуса 3 (ЗП 1) и 13 (ПП 2). Под действием сил ПМП 9 происходит фиксация корпуса 13 узла ПП 2 на корпусе 3 узла ЗП 1. Кроме того, действие сил ПМП 9 частично способствует достижению правильного взаимного позиционирования узлов ЗП 1 и ПА 2. Благодаря действию сил ПМП 9, создаваемых узлами М1 и М2, в течении осуществления индукционной зарядки узла АКБ 20, поддерживается установленная оператором/физическим лицом/пользователем устройства ориентация узлов ЗП 1 и ПП 2. После подключения узла ЗП 1 к питающей электросети (220 В) 12, в узле ПК 6, представляющего собой индукционную катушку, с помощью узла ПТН 10 создается переменное напряжение/ток, что приводит к образованию вокруг ПК 6 электромагнитного поля (ЭМП) 7, которое достигает и пересекает витки катушки ВК 15. При этом, за счет действия эффекта электромагнитной индукции, в узле ВК 15 возникает входное электрическое напряжение (ВЭН), которое поступает на узел ВРНТ 19, с помощью которого осуществляется конвертирование/преобразование ВЭН к виду/уровню, необходимому для осуществления зарядки узла АКБ 20, которая происходит под управлением узла КЗ 17. Таким образом, электрическая энергия от узла ЗП 1 передается к узлу ПП 2 посредством переменного электромагнитного поля 7, которое наводит (за счет электромагнитной индукции) в витках вторичной катушки 15 величину переменного напряжения ВЭН, достаточную для зарядки узла АКБ 20. Если выполнено условие, выражающееся в том, что первичная и вторичная катушки (узлы ПК 6, ВК 15) находятся в непосредственной близости (выполнены условия их позиционирования), то значительная часть силовых линий, создаваемых первичной катушкой ПК 6, пройдет через витки вторичной катушки ВК 15, создав в ней переменный ток, который затем преобразовывается и используется для заряда узла АКБ 20. Процесс БПЭ данного устройства соответствуют известной из техники спецификации стандарта Qi, который регламентирует протокол энергетического и информационного взаимодействия между узлами ЗП 1 и ПП 2. При этом, информационное взаимодействие ЗП 1 и ПУ 2 предусматривает передачу цифровой информацию в виде битов/байтов методом фазовой модуляции ЭМП 7. Информационная связь между узлами ЗП 1 и ПП 2 устанавливается автоматически, после того, как корпус 13 узла ПП 2 оказывается установленным на поверхности корпуса 3 и обнаруженным/идентифицированным узлом ЗП 1 (при условии, что электропитание узлов включено). Для идентификации узла ПП 2, узлом ЗП 1 каждые 400 мс посылаются/излучаются посредством ЭМП 7 энергетические/электрические импульсы. Если на корпусе 3 узла ЗП 1 установлено ПП 2, то активируется межузловой информационный обмен, в процессе которого ЗП 1 и ПП 2 «договариваются» об условиях зарядки узла АКБ 20 (например, об необходимом количестве электроэнергии, силе и частоте тока). После этого начинается фаза процесса БПЭ. Для контроля этого процесса, узлом ПП 2 через каждые 32 мс осуществляется отправка узлу ЗП 1 пакетов данных с информацией об ошибках в работе беспроводной системы транспортировки электроэнергии. Передача данных от ПП 2 к ЗП 1 и обратно осуществляется по цепи: КЗ 17 - драйвер 16 - ВК 15 - ЭМП 7 - ПК 6 - ДТН 5 - КЗП 4. Процесс заряда узла АКБ 20 отображается на индикаторе 18, например, цветом его свечения или условным значком батарейки, который изменяет степень закрашивания/заполнения по мере заряда АКБ 20. После завершения заряда узла АКБ 20, ПП 2 отправляет пакет данных с сообщением типа «Передача энергии завершена», по получении которого узел ЗП 1 останавливает работу (прекращает беспроводную передачу электроэнергии).
Данная система частично устраняет недостатки предыдущего технического решения. Так, с помощью узлов М1 8 и М2 14 обеспечивается фиксация узлов ЗП 1 и ПП 2, что способствует более надежному, чем в предыдущем ТР, сохранению/удержанию установленного пользователем взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 15 в процессе проведения БИЗ узла АКБ 20. Благодаря этому, достигается создание и поддержание благоприятных условий для БПЭ. Кроме того, в данном устройстве использован более совершенный механизм управления процессами БПЭ и зарядки узла АКБ 20. Это достигается за счет использования более надежного цифрового протокола коммуникационного взаимодействия между узлами ЗП 1 и ПП 2, предусматривающего возможность обнаружения и корректировки ошибок, возникающих в процессе беспроводной передачи электроэнергии, и выполнения контроля окончания зарядки узла АКБ 20.
Данной системе присущи недостатки, аналогичные предыдущему техническому решению. Особенно, данное устройство уязвимо к внешним механическим воздействиям (ударам, вибрациям), которые могут нарушать взаимное позиционирование узлов ПК 6 и ВК 15 и, тем самым, вызывать снижение эффективности БПЭ и служить причиной прекращения или значительного увеличения длительности зарядки узла АКБ 20. Следует также заметить, что наличие узлов М1 8 и М2 15 только частично способствует взаимному позиционированию узлов ПК 6 и ВК 15 при размещении корпуса 13 на корпусе 3, что обусловлено наличием сил адгезии/трения между поверхностями этих корпусов, которые ПМП 9 не может преодолеть, и в результате чего взаимная фиксация корпусов 3 и 13 может происходить со смещением, то есть без точного совпадения магнитных силовых линий ПМП 9, создаваемых северным и южным полюсами магнитов М1 8 и М2 15. Таким образом, при использовании данного устройства возможны ситуации, при которых, после фиксации корпусов 3 и 13 с помощью ПМП 9, взаимное позиционирование узлов ПК 6 и ВК 15 может иметь низкую точность, а ее повышение (самопозиционирование с помощью сил ПМП 9) затруднено из-за наличия высокого уровня адгезии/сцепления/трения между этими корпусами (ЗП 1 и ПП 2). В этих ситуациях может существенно снижаться эффективность процесса БПЭ и нарушаться установленный/заданный/требуемый режим зарядки узла АКБ 20. Признаки и свойства, использование которых позволяет контролировать эффективность БПЭ и режим заряда АКБ, а также автоматически, без участия физических лиц, осуществлять позиционирование узлов ПК 6 и ВК 15 с достаточной точностью, то есть, устранять последствия воздействий внешних факторов, вызывающих нарушения взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 15, которые снижают эффективность БПЭ и нарушают режим индукционной зарядки узла АКБ 20, с предупреждением физических лиц о возникновении аварийных ситуаций, при которых нарушается процесс БПЭ и/или нарушается режим зарядки узла АКБ 20, в данном устройстве - отсутствуют.
В процессе исследований авторами установлено, что эффективность (надежность) систем/устройств электропитания ПЭП, использующих беспроводную индукционную зарядку встроенной в них АКБ, может быть повышена за счет использования новых признаков и свойств, позволяющих осуществлять автоматическое поддержание оптимальных условий БЭП и режимов заряда АКБ, достигаемых за счет повышения точности взаимного позиционирования узлов ЗП 1 и ПП 2, и обеспечивать оповещение оператора/физического лица/пользователя ПЭП о возникновении аварийных ситуаций (АС), которые сопровождаются нарушениями процесса БЭП и режима зарядки АКБ. При этом, можно полагать, что существенное повышение эффективности системы электропитания и устройства в целом может быть достигнуто на основе использования возможностей устройства автоматически, без участия физических лиц, осуществлять настройку взаимного расположения узлов ПК 6 (ЗП 1) и ВК 15 (ПП 2) с достаточной точностью для достижения высокой эффективности процесса БПЭ. Это позволит компенсировать ошибки позиционирования устройства, которые могут возникать на этапе подключения/соединения узлов ЗП 1 и ПП 2, а также компенсировать/устранить нарушения в позиционировании этих узлов, вызванные действием внешних факторов типа ударов/вибраций в процессе эксплуатации устройства. Также, можно полагать, что наличие возможностей по контролю эффективности БПЭ в процессе заряда узла АКБ 20 с формированием акустических/звуковых сигналов, излучаемых устройством в случае возникновения АС, которые не могут быть устранены автоматически ресурсами устройства, позволяет пользователю/оператору устройства своевременно предпринять меры по устранению причин, влияющих на индукционную зарядку узла АКБ 20. Особенно, упомянутые возможности устройства будут востребованы и важны при его эксплуатации в СУСС, где возникновение внешних механических воздействий наиболее вероятно, а наличие способности устройства по самовосстановлению работоспособности без участия пользователя, то есть выполнения автоматической подстройки/настройки позиционирования узлов ПК 6 (ЗП 1) и ВК 15 (ПП 2) для реабилитации процесса БПЭ и установки нормального/заданного режима индуктивной зарядки узла АКБ 20 после возникновения АС, позволит существенно повысить его эффективность.
Как показали исследования, использование постоянного мониторинга процесса БПЭ и контроля режима индукционной зарядки АКБ с возможностью выявления аварийных ситуаций (АС), при которых текущая эффективность БПЭ снижается ниже допустимого значения, например, из-за нарушений взаимного позиционирования передатчика и приемника энергии и автоматического, без участия физического лица/пользователя устройства, устранения АС с восстановлением процесса БПЭ с эффективностью, достаточной для поддержки требуемого/заданного режима зарядки узла АКБ, путем автоматической оптимизации/подстройки взаимной ориентации передатчика и приемника энергии, выполняемой с помощью физического перемещения/смещения корпусов передатчика и приемника энергии друг относительно друга под действием, с одной стороны, создаваемых устройством дозированных по времени и интенсивности действия механических вибраций корпусов передатчика и приемника энергии, обеспечивающих компенсацию/устранение/снижение сил трения между корпусами передатчика и приемника энергии, и с другой стороны, сил постоянного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, которые интегрированы/встроены в корпуса передатчика и приемника энергии, а также формирования и излучения акустических сигналов, необходимых для привлечения внимания пользователя/физического лица/оператора устройства в случаях возникновения АС, при которых процессы БПЭ и заряда АКБ не могут быть автоматически настроены/восстановлены с требуемой точностью без участия ФЛ, из техники не известны.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей известного устройства, связанных с повышением эффективности контроля и управления процессом беспроводной передачи электроэнергии и автоматическим поддержанием требуемых/заданных режимов индукционной зарядки аккумуляторной батареи.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из зарядной платформы (ЗП), содержащей корпус, блок электропитания (БЭП), преобразователь тока/напряжения (ПТН) типа AC-DC, первичную катушку (ПК), датчик тока/напряжения (ДТН) и контроллер зарядной платформы (КЗП), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом узла ПТН и с первым портом узла ДТН, который своим вторым портом соединен с первым портом узла ПК, который вторым портом соединен со вторым портом узла ПТН, который третьим портом соединен со вторым портом узла БЭП, который выполнен с возможностью подключения своим первым портом к электросети 220 В, и соединенного с ней посредством беспроводной (индуктивной) связи портативного прибора (ПП), содержащего корпус, вторичную катушку (ВК), драйвер, выпрямитель/регулятор напряжения/тока (ВРНТ), контроллер заряда (КЗ), аккумуляторную батарею (АКБ) и индикатор, который своим входом соединен с первым портом узла КЗ, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла ВРНТ, со вторым портом узла ВРНТ и со вторым портом узла драйвера, который первым портом соединен со вторым портом узла ВК, который первым портом соединен с третьим портом узла ВРНТ, и выполненное с возможностью фиксации между собой корпусов зарядной платформы и портативного прибора с помощью встроенных в них постоянных магнитов и осуществления беспроводной индукционной зарядки узла АКБ по стандарту типа дополнительно в состав узла ЗП введены виброэлемент (ВЭ) и акустический излучатель (АИ), который своим входом соединен с третьим портом узла КЗП, который четвертым портом соединен с портом узла ВЭ, при этом, узел КЗП функционирует по программе обеспечивающей постоянный мониторинг процесса БПЭ и контроль режима зарядки АКБ с возможностью выявления аварийных ситуаций (АС), при которых текущая эффективность БПЭ снижается ниже допустимого значения и/или нарушается режим зарядки узла АКБ, например, из-за нарушений взаимного позиционирования узлов ПК и ВК, устранения АС без участия физических лиц с помощью процедуры автоматического позиционирования (ПАП) узлов ПК и ВК, реабилитирующей/восстанавливающей процесс БПЭ с эффективностью, достаточной для поддержки заданного/требуемого режима зарядки узла АКБ, выполняемой путем физического смещения/перемещения корпусов ЗП и ПП друг относительно друга с помощью узла ВЭ, создающего дозированные по времени и интенсивности действия механические вибрации корпуса узла ЗП (вместе с установленным на нем ПП), обеспечивающие компенсацию/устранение/снижение сил трения между корпусами узлов ЗП и ПП и, тем самым, создающих условия для их перемещения друг относительно друг и точного взаимного позиционирования узлов ПК и ВК под действием сил постоянного магнитного поля ПМП, создаваемого узлами М1 и М2, и завершения ПАП после достижения такой ориентации узлов ПК и ВК, при которой текущая эффективность БПЭ достигает уровня/значения, достаточного для поддержки заданного/установленного режим заряда узла АКБ, а также активации узла АИ, выполненного с возможностью излучения акустических/звуковых сигналов для привлечения внимания пользователя/физического лица/оператора устройства в случаях возникновения АС, при которых процессы БПЭ и режим заряда АКБ не могут быть автоматически, с помощью ПАП, настроены/восстановлены с требуемой эффективностью, например, из-за большого удаления корпусов ЗП и ПП.
Функциональная схема устройства индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора (далее - устройство) представлена на фиг.2. Устройство (фиг.2) состоит из зарядной платформы (ЗП) 1, содержащей корпус 3 с интегрированным в него постоянным магнитом М1 8, блок электропитания (БЭП) 13, акустический излучатель (АИ) 12, преобразователь тока/напряжения (ПТН) 11, виброэлемент (ВЭ) 10, первичную катушку (ПК) 6, датчик тока/напряжения (ДТН) 5 и контроллер зарядной платформы (КЗП) 4, который своими четвертым, третьим, первым и вторым портами соединен, соответственно, с портом узла АИ 12, с портом узла ВЭ 10, с первым портом узла ПТН 11 и с первым портом узла ДТН 5, который вторым портом соединен с первым портом узла ПК 6, который вторым портом соединен со вторым портом узла ПТН 11, который третьим портом соединен со вторым портом узла БЭП 13, который выполнен с возможность подключения своим первым портом к электросети (220 В) 14, и соединенного с ней посредством беспроводной (индуктивной) связи (посредством электромагнитного поля - ЭМП 7) портативного прибора (ПП) 2, содержащего корпус 16, вторичную катушку (ВК) 17, драйвер 18, выпрямитель/регулятор напряжения/тока (ВРНТ) 21, контроллер заряда (КЗ) 19, аккумуляторную батарею (АКБ) 22 и индикатор 20, который своим входом соединен с первым портом узла КЗ 19, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ 22 и первым портом узла ВРНТ 21, со вторым портом узла ВРНТ 21 и со вторым портом узла драйвера 18, который первым портом соединен со вторым портом узла ВК 17, который первым портом соединен с третьим портом узла ВРНТ 21, и выполненное с возможностью фиксации между собой корпусов 3 и 16 с помощью встроенных в них постоянных магнитов М1 8 и М2 15, установленных в зоне размещения, соответственно, узла ПК 6 и ВК 17, и осуществления беспроводной индукционной зарядки узла АКБ 22 по стандарту типа Qi, кроме того, узел АИ 12 выполнен с возможностью формирования и излучения звуковых сигналов, используемых для оповещения/привлечения внимания пользователя устройства о возникновении нарушений индукционной зарядки узла АКБ 22, например, в случае прекращении беспроводной передачи электроэнергии (БПЭ), узел КЗП 4 функционирует по программе обеспечивающей постоянный мониторинг эффективности процесса БПЭ и контроль режима зарядки АКБ в процессе его индукционной зарядки с возможностью контроля/выявления аварийных ситуаций (АС), при возникновении которых текущая эффективность БПЭ и/или режима зарядки узла АКБ снижается ниже допустимого значения, например, из-за нарушений правил/условий размещения/позиционирования узлов ЗП 1 и ПП 2 (узлов ПК 6 и ВК 17), и активации процедуры автоматического позиционирования (ПАП) узлов ПК 6 и ВК 17, обеспечивающей устранение возникающих АС без привлечения/участия физических лиц, путем создания с помощью узла ВЭ 10 дозированных по времени и интенсивности действия механических вибраций корпуса 3 (узла ЗП 1), на котором установлен/зафиксирован корпус 16 (узел ПП 2), компенсирующих/снижающих силу сцепления/адгезии/трения между этими корпусами и создающих условия для их (корпусов 3 и 16) физического перемещения друг относительно друга под действием сил постоянного магнитного поля ПМП 9, образованного узлами М1 8 и М2 15, и завершения ПАП после достижения такой ориентации узлов ПК 6 и ВК 17, при которой текущая эффективность БПЭ достигает уровня/значения, достаточного для поддержки заданного/установленного режим заряда узла АКБ 22, а также активации узла АИ 12 в случаях возникновения таких АС, которые не могут быть устранены автоматически (с помощью ПАП), без участия физического лица/пользователя устройства.
Устройство (фиг.2) функционирует аналогично прототипу. Пользователь устройства для осуществления индукционной зарядки узла АКБ 22 размещает корпус 16 на корпусе 3. При этом, под действием силы притяжения постоянного магнитного поля (ПМП) 9, создаваемого постоянными магнитами М1 8 и М2 15, которые встроены, соответственно, в корпуса 3 и 16, обеспечивается фиксация зарядной платформы ЗП 1 и портативного прибора ПП 2. После установки корпуса 16 узла ПУ 2 на корпус 3 узла ЗП 1 происходит его идентификация, как устройства в соответствии со стандартным протоколом, предусмотренным спецификацией для Qi устройств. На этом этапе между ПУ 2 и ЗП 1 устанавливается энергетическая (для канала БПЭ) и коммуникационная (для канала обмена служебной информацией) связь. С помощью магнитов М1 8 и М2 15, встроенных, соответственно, в корпус 3 и корпус 16, обеспечивается «грубое» взаимное позиционирование и фиксация узлов ПП 2 и ЗП 1. При этом узлы ПК 6 и ВК 17 должны располагаться друг напротив друга на минимальном расстоянии, что обеспечивает оптимальные условия осуществления БПЭ и индукционной зарядки узла АКБ 22, которая осуществляется согласно спецификации стандарта Если при подключении узла ПП 2 к узлу ЗП 1 допущены нарушения в их взаимном позиционировании (например, из-за небрежности пользователя устройства) или в процессе индукционной зарядки устройство подвергается внешним механическим воздействиям типа ударов или интенсивным вибрациям, при которых взаимная ориентация/позиционирование узлов ПК 6 и ВК 17 нарушается так, что возникают АС, приводящие к снижению эффективности БПЭ и/или к изменению (прекращению) режима зарядки узла АКБ 22, то узлом КЗП 4, обеспечивающим постоянный мониторинг эффективности процесса БПЭ в ходе индукционной зарядки АКБ 22, запускается ПАП - процедура автоматической (без участия пользователя устройства) настройки/подстройки/оптимизации/уточнения взаимной ориентации узлов ЗП 1 и ПП 2 (узлов ПК 6 и ВК 17). Для этого, узел КЗП 3 активирует узел ВЭ 10, с помощью которого создаются дозированные/нормированные по времени и интенсивности механические вибрации корпуса 3 (узла ЗП 1), на котором установлен/зафиксирован корпус 16 (узел ПП 2), обеспечивающие компенсацию/устранение/снижение сил сцепления/адгезии/трения между корпусами 3 и 16 (узлами ЗП 1 и ПП 2). Этим самым создаются условия для физических микроперемещениц (около 1 мм) корпусов ЗП 1 и ПП 2 друг относительно друга под действием сил постоянного магнитного поля ПМП 9, создаваемого узлами М1 8 и М2 15. Образно говоря, на каждом первом полуцикле вибрации происходит, как бы «подбрасывание» корпуса 16, но он не «улетает», поскольку удерживается силами тяжести и ПМП 9. Затем, на каждом втором полуцикле вибраций, «падение» корпуса 16 происходит со смещением, вызванным действием силы ПМП 9, имеющей градиент (направленность магнитных силовых линий), организованный таким образом, что силы притяжения стремятся зафиксировать узлы М1 8 и М2 15 строго в определенном/заданном положении, например, друг напротив друга полюсов этих магнитов. При достижении такой ориентации узлов М1 8 и М2 15, интегрированных в корпуса 3 и 16, обеспечивается также необходимое взаимное позиционирование и узлов ПК 6 и ВК 15. Таким образом, использование вибраций корпусов 3 и 16 в сочетании с действием сил ПМП 9 обеспечивает возможность выполнения автоматического, без участия оператора, взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 15 с высокой точностью, что является достаточным условием для обеспечения высокой эффективности БПЭ и поддержания установленного/требуемого режима зарядки узла АКБ 22. При этом, завершение ПАП осуществляется после достижения такой ориентации узлов ПК 6 и ВК 17, при которой текущая эффективность БПЭ достигает уровня/значения, достаточного для поддержки заданного/установленного режим заряда узла АКБ 22, При возникновении АС, которые не могут быть устранены ресурсами устройства, то есть, в случаях возникновения таких АС, которые не могут быть устранены автоматически, с помощью ПАП, например, в случаях значительного удаления корпусов 2 и 16 друг от друга, узлом КЗП 4 активируется узел АИ 12, который обеспечивает формирование акустических/звуковых сигналов, сигнализирующих (привлекающих внимание физических лиц) о фатах возникновении неисправностей в системе индукционной зарядки устройства.
Техническим результатом, достигаемым при использовании данного устройства, является повышение надежности индуктивной зарядки аккумуляторной батареи (ИЗАБ) за счет постоянного контроля и автоматического поддержания условий, обеспечивающих высокий уровень эффективности БИЗ (высокой точности позиционирования узлов ПК 6 и ВК 17). Это достигается путем постоянного мониторинга эффективности ИЗАБ с выявлением аварийных ситуаций (АС), при которых текущее значение эффективности ИЗАБ снижается ниже допустимого значения и/или нарушается установленный/заданный режим зарядки узла АКБ 22, с последующим устранением возникающих АС с помощью ПАП, реализующей точное позиционирование узлов ПК 6 и ВК 17 и выполняемой без участия физических лиц, а также, формирования/излучения акустических сигналов (с помощью узла АС 12) для своевременного привлечения внимания физических лиц о фактах возникновения таких АС, которые не могут быть устранены автоматически (с помощью ПАП).
В предлагаемом устройстве индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора (далее - устройство) обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав зарядной платформы ЗП 1 устройства дополнительно введены виброэлемент (ВЭ) 10 и акустический излучатель (АИ) 12, который своим входом соединен с третьим портом узла КЗП 4, который четвертым портом соединен с портом узла ВЭ 10.
Узел КЗП 4 функционирует по программе обеспечивающей постоянный мониторинг процесса БПЭ и контроль режима зарядки узла АКБ 22 с возможностью выявления аварийных ситуаций (АС), при которых текущая эффективность БПЭ снижается ниже допустимого значения и/или нарушается режим зарядки узла АКБ 22, например, из-за нарушений взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 17, устранения АС без участия физических лиц с помощью процедуры автоматического позиционирования (ПАП) узлов ПК 6 и ВК 17, реабилитирующей/восстанавливающей процесс БПЭ с эффективностью, достаточной для поддержки заданного/требуемого режима зарядки узла АКБ 22, выполняемой путем физического смещения/перемещения корпусов ЗП и ПП друг относительно друга с помощью узла ВЭ 10, создающего дозированные по времени и интенсивности механические вибрации корпуса узла ЗП 1 (вместе с установленным на нем ПП 2), обеспечивающие компенсацию/устранение/снижение сил трения между корпусами 3 и 16 (узлов ЗП 1 и ПП 2) и, тем самым, создающие условия для их перемещения друг относительно друг и точного взаимного позиционирования узлов ПК 6 и ВК 17 под действием сил постоянного магнитного поля ПМП 9, создаваемого узлами М1 8 и М2 15, завершения ПАП после достижения такой ориентации узлов ПК 6 и ВК 17, при которой текущая эффективность БПЭ достигает уровня/значения, достаточного для поддержки заданного/установленного режим заряда узла АКБ 22, и активации узла АИ 12, обеспечивающего излучение акустических/звуковых сигналов для привлечения внимания пользователя/физического лица/оператора устройства в случаях возникновения АС, при которых процессы БПЭ и режим заряда узла АКБ 22 не могут быть автоматически, с помощью ПАП, настроены/восстановлены с требуемой эффективностью, например, из-за большого удаления корпусов ЗП 1 и ПП 2.
Введение и использование указанных признаков и свойств позволяют существенно расширить функциональные возможности известного устройства, связанных с повышением эффективности контроля и управления процессом беспроводной передачи электроэнергии и автоматическим поддержанием требуемых/заданных режимов индукционной зарядки аккумуляторной батареи.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора, из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей известного устройства, направленных на повышение эффективности контроля процесса беспроводной передачи электрической энергии и автоматической поддержки требуемых/заданных режимов индукционной зарядки аккумуляторной батареи, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства может быть представлен в следующем виде.
- Начало;
- Шаг-1. Подготовка к зарядке узла АКБ 22: подключение узла ЗП 1 к электросети 14, установка корпуса 16 узла ПП 2 на корпусе 3 узла ЗП 1, фиксация корпусов 3 и 16 с помощью магнитов М1 8 и М2 15, и переход к шагу 2.
- Шаг-2. Проверка-1: беспроводная/индуктивная связь между узлами ПП 2 и ЗП 1 есть? - Если да, то переход к шагу 3, если нет, то возврат к шагу-1;
- Шаг-3. Настройка: активация узла ВЭ 10, запуск ПАП и уточнение взаимного положения узлов ПК 6 (ЗП 1) и ВК 17 (ПП 2) для достижения эффективности БПЭ между ПП 2 и ЗП 1 до требуемого уровня, переход к шагу 4;
- Шаг-4. Проверка-2. Требуемый уровень эффективности БПЭ достигнут? - Если нет, то активация узла АИ 12 и переход к шагу 2, если - ДА, то переход к шагу 5;
- Шаг-5. Индукционная зарядка с мониторингом эффективности процесса БПЭ и осуществление режима зарядки узла АКБ 22 в соответствии с установленным алгоритмом, переход к шагу 6;
- Шаг-6. Проверка-3. Аварийная ситуация есть? - Если да, то запуск ПАП и переход к шагу 4, если нет, то переход к шагу 7;
- Шаг-7. Проверка-4. Алгоритм зарядки узла АКБ 22 завершен? - Если нет, то переход к шагу 5, если - ДА, то переход к шагу 8;
- Шаг-8. Завершение работы. Выключение процесса БПЭ.
- Конец.
Узлы корпуса 3, КЗП 4, ДТН 5, ПК 6, М1 8, ПТН 11, БЭП 14 и ПП 2 могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения.
Узел КЗП также может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л12].
Узел ВЭ 10 может быть реализован на основе миниатюрных изделий типа виброзвонков [Л13], широко используемых для сигнализации входящих вызовов в мобильных телефонах.
В качестве узла АИ 12 могут быть использованы миниатюрные пьезозвонки типа ЗП-2 [Л14].
Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками и свойствами, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л15-Л18] и авторских технических решений [Л19-Л23].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет успешно решить поставленную задачу, связанную с повышением, эффективности применения ПЭП, в том числе, эксплуатируемых в СУСС. При этом, повышение надежности и удобства применения предлагаемого устройства достигается за счет использования ПАП, позволяющей устранять АС без участия физических лиц/пользователей устройства путем осуществления автоматического взаимного позиционирования узлов ПК 7 (ЗП 1) и ВК 17 (ПУ 2) с высотой точностью, что обеспечивает создание и поддержание условий для индукционной зарядки узла АКБ 22 с высокой эффективностью.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемого устройства индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые системы могут быть использованы для заряда аккумуляторных батарей (АКБ), обеспечивающих электропитание различных технических устройств и систем, преимущественно, мобильных/портативных устройств/приборов, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и удобству применения, в том числе, в СУСС. Разработанное авторами техническое решение обеспечивает повышение, как надежности системы электропитания ПЭП, функционирующего от встроенной АКБ, так и повышение эффективности применения ПЭП, особенно, при его эксплуатации в СУСС. Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных технических устройств и систем, функционирующих автономно с электропитанием от встроенных АКБ, особенно, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и эффективности применения в сложных условиях эксплуатации. Использование данного технического решения обеспечивает существенное повышение надежность функционирования и эффективности применения, как потребительской радиоэлектронной аппаратуры, так и техники специального назначения, особенно, при ее эксплуатации в сложных условиях.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Мобильный телефон HTC X515m EVO 3D, http://electronics.Wikimart.ru/communication/cell/model/5667000/mobilnyj_telefon_htc_evo_3d/
2. Зарядка литий-полимерных аккумуляторов, http://2a3a.ru/li-po/
3. Портативная радиостанция Vector VT-44 master, http://www.radioprofi
4. Беспроводная передача электричества, http://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=e3297268-c8d5-4308-8f5b-7c9592e701fb
5. Беспроводная передача энергии и беспроводные зарядные устройства http://Venture-biz.ru/tekhnologii-innovatsii/152-besprovodnaya-peredacha
6. Стандарт Qi, http://ru.wikipedia.org/wiki/Qi_(%D1%81%D1%82%D0% B0%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D1%80%D1%82_%D0%BF%D0%B8% D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F)
7. Устройство, система для передачи электромагнитной энергии, а также способ, позволяющий осуществлять эту передачу, патент RU 2009114693 A, дата публикации 27.10.2010 г.
8. Система и способ индуктивной зарядки аккумулятора, патент на изобретение №2009115795 A, дата публикации заявки: 20.11.2010 г.
9. Индукционная беспроводная зарядка стандарта Qi, http://tigors.net/qi-wireless-induction-charger/
10. Стандарт QI: зарядка мобильных устройств без проводов, http://www.chip.ua/stati/go-digital/2012/12/standart-qi-zaryadka-mobilnyh-ustroistv-bez-provodov
11. Беспроводное зарядное устройство смартфона Nokia Lumia 920 http://habrahabr.ru/company/Nokia/blog/153909/,
12. Микроконтроллеры серии PIC18FX5XX с поддержкой шины USB 2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic18_2.htm
13. Виброзвонки SonyEricsson, http://www.lcd1.ru/catalog/45884/40026/29/23453/
14. Пьезозвонки, http://www.avrora-binib.ru/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=12&Itemid=23
15. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610487 от 13.11.2010 г.
16. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009613019 от 10.06.2009 г.
17. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ.
18. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о регистрации в ФИПС РФ, №2011610486 от 11.01.2011 г.
19. Войсковая часть 11135 (RU), Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации», зарегистрирован 20.12.2006 г.
20. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован от 20 октября 2010 г.
21. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности», зарегистрирован от 10 марта 2012 г.
22. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.
23. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.