СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов (аккумуляторов), и может быть использована в системах электропитания различных технических устройств и систем для заряда интегрированных в них аккумуляторных батарей (АКБ), преимущественно, для обеспечения работы системы электропитания мобильных/ портативных электронных устройств (МПЭУ) с использованием энергии альтернативных источников.
Как известно, основной технической характеристикой МПЭУ, функционирующего от встроенной АКБ, является длительность непрерывной работы. Поскольку энергоресурс АКБ имеет конечное значение, то его необходимо периодически/ по мере необходимости восстанавливать с использованием электрической энергии (ЭЭ) других источников. Обычно, для зарядки/ подзарядки АКБ используется сетевое зарядное устройство. Поскольку эксплуатация МПЭУ может осуществляться в условиях, где доступ к стационарным источникам электрической энергии (СИЭЭ) типа электросети 220 В отсутствует или ограничен, то в этих случаях после расхода энергоресурса АКБ функционирование МПЭУ прекращается, что существенно снижает эффективность выполнения различного рода задач (РРЗ), обеспечиваемых с помощью упомянутых МПЭУ. В связи с этим, возникает задача повышения длительности автономной работы МПЭУ, которые функционируют в условиях, когда доступ к ним для обслуживания (например, для зарядки АКБ) затруднен или недоступны/отсутствуют.
Кроме обеспечения большой длительности автономной работы, во многих приложениях предъявляются также жесткие требования по ограничению габаритов и массы МПЭУ, что существенно затрудняет применение в составе МПЭУ источников электроэнергии типа АКБ с большой емкостью, имеющих большой вес и габариты.
Создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы увеличить длительность автономной работы (ДАР), необходимо использовать для электропитания МПЭУ АКБ с большей емкостью. Поскольку АКБ, используемая для электропитания МПЭУ, может составлять 40-80% от общего объема/веса МПЭУ, то при использовании АКБ с большей емкостью существенно увеличиваются габариты и вес МПЭУ. Чтобы удовлетворить требованиям/ограничениям по габаритам и весу МПЭУ необходимо уменьшить габариты и вес АКБ, используемой для электропитания МПЭУ, что приводит к снижению его ДАР.
Поскольку деятельность физических лиц (ФЛ) часто происходит далеко от мест, имеющих СИЭЭ, где может быть выполнена зарядка/подзарядка АКБ, встроенной в МПЭУ, типовым образом (с помощью штатных ЗУ), то при отсутствии СИЭЭ, восстановления энергетического ресурса АКБ с использованием штатного ЗУ становится проблематичной/не возможной и после разряда АКБ дальнейшее автономное функционирование МПЭУ прекращается. Как известно, от работоспособности МПЭУ во многом зависит успешность выполнения различного рода задач, в том числе, относящихся к категориям особой важности (спасательные операции, медицинская помощь, вооруженные силы и др.). При решении этих задач физические лица (ФЛ) могут находиться в сложных условиях/стрессовых ситуациях (СУСС) и осуществлять свою деятельность в местах, где отсутствуют стационарные источники электрической энергии или доступ к ним затруднен/ограничен. При отсутствии доступа к СИЭЭ возможность поддержания МПЭУ в рабочем состоянии становится весьма затруднительным, поскольку для применения штатного зарядного устройства, используемого для выполнения процедур заряда АКБ МПЭУ, требуется наличие электросети 220 В.
Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы/ технические решения, которые могут быть использованы для обеспечения автономной работы МПЭУ в условиях, когда доступа к СИЭЭ отсутствует/ограничен, имеют существенные недостатки. В связи с этим, поиск технических решений, обеспечивающих возможность повышения эффективности системы электропитания МПЭУ, с точки зрения повышения длительности автономной работы и поддержания работоспособности МПЭУ при отсутствии/ограничении доступа к СИЭЭ, является актуальной задачей.
При исследовании путей решения поставленной задачи установлено, что для повышения длительности автономной работы МПЭУ могут применяться технические решения, которые оптимизируют расход энергоресурса АКБ, используемого для поддержания работоспособности МПЭУ. Так, из техники [Л1] известна система электропитания портативного устройства (далее - система), состоящая из датчика тока (ДТ), микроконтроллера (МК), аккумуляторной батареи (АКБ), блока электрохимических конденсаторов/ионисторов (БЭК) и коммутатора, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла МК, со вторым портом узла МК, с выходом узла БЭК и четвертым портом узла МК и со вторым портом узла ДТ, который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с нагрузкой и третьим портом узла МК. При этом, узел МК, функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга тока в нагрузке путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ, идентификации пиковых токов в нагрузке (ПТН) и отключения узла АКБ от нагрузки с подключением к ней через коммутатор узла БЭК на время действия упомянутых ПТН или до тех пор, пока выходное напряжение на узле БЭК поддерживается в пределах допустимой величины, а также обратного переключения источников электропитания нагрузки после окончания действия ПТН или после разряда узла БЭК.
Система функционирует следующим образом. В исходном состоянии в ионисторах, входящих в состав узла БЭК, обеспечивается накоплении энергии от узла АКБ. При включении нагрузки (МПЭУ), через узел ДТ протекает ток, который измеряется узлом ДТ и полученные данные поступают на узел МК. Узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга тока в нагрузке путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ и идентификации пиковых токов в нагрузке (ПТН), превышающих допустимое/номинальное значение разрядного тока аккумуляторной батареи. Если значение тока, потребляемого нагрузкой от АКБ, превысит допустимый/номинальный разрядный ток АКБ, то этот факт фиксируется узлом МК, который переключает узел коммутатора таким образом, что электропитание в нагрузку начинает подаваться от узла БЭК. Если уровень тока в нагрузке снизится до номинального/допустимого значения (которое, например, меньше порогового/допустимого значения), то коммутатор переводится в такое состояние, при котором узел БЭК - отключается, а узел АКБ - подключается обратно к нагрузке. Таким образом, ПТН, возникающие в нагрузке, своевременно обнаруживаются (идентифицируются) и их разрушающее действие на узел АКБ - устраняется, поскольку требуемый ток в нагрузке обеспечивается узлом БЭК, подключение которого происходит корректно, то есть, без разрыва энергоснабжения нагрузки. Обратное переключение источников электропитания нагрузки осуществляется после окончания действия ПТН или после разряда узла БЭК. После включения узла АКБ в работу по обеспечению электропитанием нагрузки, также включается подзарядка узла БЭК.
В данной системе обеспечивается повышение эффективности работы аккумуляторной батареи, с точки зрения оптимизации использования ее энергоресурса/емкости, что достигается за счет снижения времени действия на АКБ пиковых токовых нагрузок, идентифицируемых с помощью узлов ДТ и МК, действе которых на узел АКБ устраняется или снижается путем отключения АКБ от нагрузки и обеспечения бесперебойного энергоснабжения нагрузки во время действия ПТН от буферного звена - узла БЭК, устойчивого к действию ПТН.
Достоинством данного технического решения является возможность повышения длительности автономной работы МПЭУ, что достигается за счет оптимизации расхода энергоресурса АКБ, обеспечивающей электропитание МПЭУ, путем снижения пиковых токовых нагрузок, воздействующих на нее со стороны нагрузки (МПЭУ).
Исследования показали, что использование данной системы для решения поставленной задачи имеет низкую эффективность, поскольку ее применение позволяет незначительно повысить длительность автономной работы МПЭУ, поскольку в конечном итоге АКБ полностью будет разряжена и работоспособность МПЭУ будет потеряна. Возможность восстановления энергоресурса АКБ в данной системе и поддержания МПЭУ в рабочем состоянии в условиях, когда доступа к СИЭЭ отсутствует/ограничен, не обеспечивается. То есть, при использовании данного технического решения достигается оптимизация расхода энергоресурса АКБ, однако, восстановление ее работоспособности и/или обеспечение автономной работы ТУ С/МПЭУ за счет использования альтернативных источников тока - не обеспечивается. Поэтому, недостатком данной системы электропитания МПЭУ является низкая эффективность, с точки зрения обеспечения длительной автономной работы МПЭУ при его эксплуатации в условиях, где отсутствуют СИЭЭ (например, электросети 220 В) или доступ к ним ограничен/затруднен.
Из техники [Л2] известна система электропитания портативной радиоэлектронной аппаратуры (далее - система) состоящая из микроконтроллера (МК), блока контроля напряжения ионисторов (БКНИ), датчика тока (ДТ), коммутатора, блока коммутации ионисторов (БКИ), блока электрохимических конденсаторов (ионисторов) (БЭК) и аккумуляторной батареи (АКБ). При этом, коммутатор своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с выходом узла АКБ и первым портом узла МК, с первым портом узла БКИ и вторым портом узла МК и с третьим портом узла МК, который своими с четвертого по шестой портами соединен, соответственно, с узлом ДТ, со вторым портом узла БКИ и с первым портом узла БКНИ, который вторым портом соединен с первым портом узла БЭК, который своим вторым портом соединен с третьим портом узла БКИ. Кроме того, узел МК, функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ, и при достижении его значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ, формирования сигналов управления коммутатором для осуществления бесперебойного переключения источников электропитания нагрузки, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку от узла АКБ с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла БЭК через узел БКИ, обработки сигналов, поступающих с узла БКНИ, для организации с помощью узла БКИ динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения (УВН) узла БЭК в допустимых пределах (например, от 5 В до 3 В), а также, при снижении УВН узла БЭК ниже допустимого значения или при снижении уровня тока, потребляемого нагрузкой, ниже значения МДТ, формирования соответствующих сигналов управления коммутатором, обеспечивающих отключение подачи в нагрузку напряжения от узла БЭК с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла АКБ.
Система функционирует следующим образом. В исходном состоянии в ионисторах, входящих в состав узла БЭК, обеспечивается накоплении энергии от узла АКБ. При включении нагрузки в виде МПЭУ, через узел ДТ начинает протекать электрический ток, значение которого оценивается/измеряется/фиксируется узлом МК, который функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля тока, протекающего через узел ДТ, и при достижении тока через узел ДТ значения, соответствующего уровню максимального допустимого тока (МДТ) для узла АКБ, происходит отключение подачи питающего напряжения от узла АКБ, чтобы оградить его от действия больших разрядных токов, возникших в нагрузке (МПЭУ). Для выполнения отключения узла АКБ и одновременного подключения резервного источника тока, которым является узел БЭК, способный выдерживать большие разрядные токи без ущерба для своих свойств, узлом МК формируются и подаются на узел коммутатора соответствующие управляющие сигналы. При этом, с помощью коммутатора обеспечивается бесперебойное переключение источников электропитания нагрузки, что предусматривает отключение подачи напряжения в нагрузку от узла АКБ с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла БЭК через узел БКИ. После включения узла БЭК для электропитания нагрузки в течении действия в ней максимальной токовой нагрузки (МТН), начинается с помощью узла МК обработка сигналов, поступающих с узла БКНИ. Узел МК контролирует напряжение на каждом из ионисторов, входящих в состав узла БЭК. Это необходимо для организации с помощью узла БКИ динамической комбинаторной коммутации ионисторов, входящих в состав узла БЭК, обеспечивающей объединение (соединение между собой) такого их количества, при котором поддерживается уровень выходного напряжения (УВН) узла БЭК в допустимых пределах. То есть, по мере разряда упомянутых ионисторов происходит динамическое изменение состава узла БЭК по количеству последовательно соединенных/включенных ионисторов с таким условием, чтобы суммарное напряжение на выходе узла БЭК находилось в допустимых пределах, при которых сохраняется работоспособность МПЭУ (нагрузки). При снижении УВН узла БЭК ниже допустимого значения (при разряде всех ионисторов) или при снижении уровня тока, потребляемого нагрузкой, ниже значения МДТ, узлом МК обеспечивается формирование необходимых сигналов управления коммутатором, обеспечивающих отключение подачи в нагрузку напряжения от узла БЭК с одновременной подачей напряжения в нагрузку от узла АКБ.
В данной системе обеспечивается повышение коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи (АКБ), что достигается за счет ее отключения от нагрузки, при возникновении больших разрядных токов (БРТ), вызывающих ускоренную потерю работоспособности АКБ, и увеличения длительности электропитания нагрузки от узла БЭК, подключаемого бесперебойным путем, при возникновении БРТ, за счет динамической комбинаторной коммутации входящих в него элементов (ионисторов), выполняемой в процессе их разряда во время действия БРТ. Отключение АКБ от нагрузки, при возникновении в ней БРТ в нагрузке, и повышение времени, в течении которого может быть обеспечена нагрузка электропитанием в режиме с БРТ от узла БЭК, способствует созданию для АКБ условий, при которых она способна отдать в нагрузку максимальное количество энергоресурса/емкости. Это позволяет частично решить задачу, связанную с увеличением длительности автономной работы МПЭУ, питаемой от узла АКБ.
Данное техническое решение (TP) частично устраняет недостатки предыдущего устройства, поскольку обеспечивает повышение коэффициента использования энергоресурса/емкости аккумуляторной батареи, что достигается за счет ее отключения от нагрузки, при возникновении больших разрядных токов, вызывающих ускоренную потерю работоспособности АКБ, и увеличения длительности электропитания нагрузки (МПЭУ) от узла БЭК, подключаемого бесперебойным путем, при возникновении БРТ в нагрузке, за счет динамической комбинаторной коммутации входящих в него элементов (ионисторов), выполняемой в процессе их разряда во время действия БРТ.
Недостатком данного TP является низкая эффективность системы электропитания (СЭП), с точки зрения обеспечения длительной автономной работы ТУС/МПЭУ в условиях, когда доступ к СИЭЭ отсутствует или ограничен. При использовании данного TP достигается оптимизация расхода энергоресурса АКБ, однако, восстановление ее работоспособности и/или обеспечение автономной работы МПЭУ за счет использования альтернативных источников тока - не обеспечивается.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известная из техники [Л3] система электропитания портативного прибора (далее - система), состоящая из порта подключения внешних устройств (ППВУ), аккумуляторной батареи (АКБ), преобразователя напряжения (ПН), резервного источника электроэнергии (РИЭ), выполненного в виде литий-ионного аккумулятора, контроллера заряда резервного источника электроэнергии (КЗРИЭ), альтернативного источника питания (АИП), выполненного в виде фотоэлектрического модуля (ФЭМ), и шины электропитания портативного прибора (ШЭПП), которая своим портом соединена с первым портом АКБ, которая вторым портом соединена с первым портом КЗАБ, который своими вторым и четвертым портами соединен, соответственно, с первым портом ППВУ и с первым портом РИЭ, который вторым портом соединен с первым портом КЗРИЭ, который вторым портом соединен с третьим портом КЗАБ и первым портом ПН, который вторым портом соединен с портом ФЭП. При этом, обеспечивается возможность зарядки/подзарядки узла АКБ от внешнего источника электроэнергии типа сетевого (220 В) адаптера, подключаемого ко второму порту ППВУ.
Функциональная схема системы приведена на фиг. 1. Система (фиг. 1) состоит из порта подключения внешних устройств (ППВУ) 2, аккумуляторной батареи (АКБ) 4, контроллера заряда аккумуляторной батареи (КЗАБ) 5, преобразователя напряжения (ПН) 6, резервного источника электроэнергии (РИЭ) 7, выполненного в виде литий-ионного аккумулятора, контроллера заряда резервного источника электроэнергии (КЗРИЭ) 8, альтернативного источника питания, выполненного в виде фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 9 и шины электропитания портативного прибора (ШЭПП) 1, которая своим портом соединена с первым портом АКБ 4, которая вторым портом соединена с первым портом КЗАБ 5, который своими вторым и четвертым портами соединен, соответственно, с первым портом ППВУ 2 и с первым портом РИЭ 7, который вторым портом соединен с первым портом КЗРИЭ 8, который вторым портом соединен с третьим портом КЗАБ 5 и первым портом ПН 6, который вторым портом соединен с портом ФЭП 9.
Система работает следующим образом. При наличии доступа к стационарной электросети (220 В) зарядка/подзарядка узлов АКБ 4 и РИЭ 7 может осуществляться типовым образом с использованием сетевого адаптера 3, подключаемого ко второму порту ППВУ 2. Процесс зарядки/подзарядки АКБ 4/РИЭ от сетевого источника электроэнергии выполняется по типовому алгоритму, реализуемому узлом КЗАБ 5. При отсутствии или затруднении доступа к сети 220 В восстановление работоспособности АКБ 4 может быть выполнено с использованием РИЭ 7 или альтернативного источника питания, выполненного в виде ФЭП 9. Зарядка/подзарядка РИЭ 7 осуществляется с помощью узлов ФЭП 9, ПН 6 и КЗРИЭ 8. При достаточном уровне освещенности (например, в солнечный день) напряжение на выходе ФЭП 9 составляет около 3,7 В, которое с помощью ПН 6 увеличивается до 5,5-6 В при токе до 600 мА. Наличие РИЭ 7 позволяет осуществить подзарядку АКБ 4 в темное время суток, когда узел ФЭП 9 теряет свою работоспособность (например, в условиях недостаточной освещенности/ночью)
Данная система частично устраняет недостатки предыдущего устройства, поскольку обеспечивает возможность поддержания МПЭУ в рабочем состоянии в условиях, когда доступ к СИЭЭ ограничен или отсутствует. Это достигается за счет использования альтернативного источника ЭЭ (узел ФЭП 9), обеспечивающего выработку ЭЭ из солнечного света, накопление этой ЭЭ в узле РИЭ 7 и осуществление подзарядки АКБ 4, обеспечивающей электропитание МПЭУ.
Данная система имеет недостатки, аналогичные предыдущему техническому решению. Низкая эффективность данной системы, с точки зрения решения поставленной задачи, обусловлена тем, что работа узла ФЭП 9 возможна только при размещении его в условиях достаточной освещенности, а в иных условиях (например, ночью) накопление ЭЭ в узле РИЭ 7 не обеспечивается, что не позволяет осуществлять подзарядку от него АКБ 4 более одного раза. Возможность использования ЭЭ иных альтернативных источников тока в данном устройстве для поддержания системы электропитания МПЭУ в рабочем состоянии не обеспечивается.
По мнению авторов, решение поставленной задачи может быть основано на использовании технологий аккумуляции энергии (ТАЭ) [Л4], извлекаемой из внешней среды. По мнению экспертов [Л5], использование ТАЭ позволяет отказаться от применения батарей в качестве традиционного элемента питания. Применение систем аккумуляции энергии наиболее эффективно в приложениях, где используются технические устройства и системы с длительным сроком службы/эксплуатации и затруднительным доступом для их обслуживания. Отмечается, что современные микроконтроллеры с ультранизким энергопотреблением достигли такого уровня интеграции и эффективности работы, что для многих приложений более не требуются обычные виды батарей. Например, к таким приложениям относятся довольно сложные сети датчиков, которые могут передавать данные с помощью беспроводной связи. Собирая весьма малое количество энергии из окружающей среды, эти системы способны работать почти бесконечно без использования батарей. Такая технология не только улучшает свойства приложений из-за исключения их зависимости от времени работы батарей, но также способствует появлению совершенно нового класса приложений, которые ранее были невозможны из-за конечного срока службы источников питания и их значительных размеров. Отмечается, что системы, предназначенные для сбора энергии, состоят из двух основных частей: устройств, которые преобразуют энергию из окружающей среды и средств хранения энергии для дальнейшего использования приложением. При этом, наиболее распространенными источниками энергии являются свет, тепло, радиочастота и вибрация. Каждый вид энергии имеет свои преимущества и недостатки, а конкретная технология сбора энергии зависит от приложения. Очевидно, что прибор, оснащенный солнечной панелью, бесполезен, если он находится в темном месте весь день. Назначение системы аккумуляции энергии заключается в сборе доступной энергии, которая, в противном случае, была бы потеряна. Поскольку в большинстве случаев энергия поступает в виде низкого напряжения в течение длительного периода времени, ее следует вначале сохранить и сделать доступной для приложения по необходимости. В то время как система накапливает энергию, МК, сенсоры и система связи могут работать в дежурном режиме, который позволяет минимизировать утечки энергии. Компонент, используемый для хранения энергии, должен работать как буфер для остальной части приложения. Емкость и технические параметры буфера зависят от приложения. Если оно затрачивает длительное время для доступа к источнику энергии, требуется довольно мощный буфер, но если приложение постоянно находится около источника энергии и редко переходит в активный режим (приложения с малым рабочим циклом), достаточно небольшого буфера. Для наиболее широко используемых приложений идеальный энергетический буфер должен обладать следующими свойствами: весьма незначительные утечки (саморазряд), неограниченная емкость, малый объем, отсутствие необходимости преобразования энергии, эффективность приема и передачи энергии. В идеальном случае существующий источник питания заменяется системой аккумуляции энергии для питания изделия. Однако в реальности это возможно только в том случае, когда устройство сбора энергии всегда обеспечивает выполнение тех требований приложения по потребляемой мощности, что и при использовании обычного источника питания. На практике, системы накопления энергии ориентированы на работу при сверхнизком потреблении мощности и должны учитывать широкие колебания входной энергии, включая вероятность того, что ее источник становится недоступным на некоторый период времени.
При реализации предложенной авторами идеи, связанной с решением поставленной задачи, в качестве накопителя ЭЭ предпочтительно использовать тонкопленочные батареи (ТПБ), известные из [Л6], которые отличаются высокой миниатюрностью (толщина ТПБ составляет всего 0.17 мм, что примерно равно толщине почтовой марки) возможностью большого количества циклов перезарядки, составляющей до 100000 циклов, в то время когда большая часть ныне существующих батарей выдерживают от 300 до 1000 циклов перезарядки. Тонкопленочные батареи от компании IPS называются Thinergy (for Thin Energy - тонкая энергия), они используют литий-ионную технологию, которая сейчас наиболее популярна в потребительской электронике, включая сотовые телефоны, наручные часы и даже электромобили. Кроме большого количества циклов перезарядки эти батареи отличаются возможностью зарядки постоянным напряжением без применения токоограничивающих цепей, могу быть заряжены очень быстро (около 15 минут) и не имеют известного «эффекта памяти». Также, заряжать эти батареи можно с помощью любого источника энергии, включая солнечные батареи, кинетические зарядные устройства, пьезоэлектрики и даже с помощью электромагнитных волн.
Как известно из [Л7], технология Thinergy сочетает особенности обычных перезаряжаемых батарей и суперконденсаторов. Зарядка до 90% емкости длится всего 8 минут, а число циклов полного разряда-заряда может достигать до 100 тыс. Самой главной особенностью аккумуляторов Thinergy является способность сохранять заряд в течение весьма продолжительного времени - до нескольких лет. Процесс зарядки микро-аккумуляторов предельно упрощен. В нем нет встроенного контроллера, и батарею можно заряжать током от десятков наноампер и выше. Судя по таким характеристикам, Thinergy идеально подходят для работы в различных устройствах, использующих маломощные источники энергии: вибрации, колебания, солнечную энергию и т.п. Высокий уровень миниатюрности позволяют использовать батареи типа Thinergy в смарт-картах, RFID-метках и даже имплантах, поскольку срок службы таких батарей может составлять десятилетия.
По мнению авторов, система сбора и аккумуляции ЭЭ внешней среды может базироваться на использовании специализированных микросхем, обеспечивающих управление процессами сбора, накопления и расходования энергии, получаемой от различных микромощных альтернативных источников ЭЭ - сборщиков энергии внешней среды. Для этих целей может быть использована известная из техники [Л8] специализированная микросхема типа bq25504 производства компанияи Texas Instruments, предназначенная для устройств сбора энергии, отличающаяся сверхнизким током покоя (около 300 нА), возможностью «холодного запуска» при экстремально низком входном напряжении (около 300 мВ) и наличием встроенного исключительно эффективного повышающего конвертора напряжения, адаптированного для работы с микро- и милливаттными источниками энергии, генерируемой фотогальваническими, термоэлектрическими, электромагнитными
и вибрационными
преобразователями с возможностью обеспечивать накопление извлеченной энергии в элементах различных типов, включая Li-ion аккумуляторы, ионисторы/суперконденсаторы. Микросхема bq25504 также включает в себя схему, защищающую накопитель энергии от повышенного и пониженного напряжения и обеспечивающую запуск системы при глубоком разряде батареи. Например, при извлечении энергии из питающей портативное устройство солнечной батареи в условиях комнатного освещения данная микросхема позволит увеличить получаемую мощность на 30…70%, по сравнению с линейным стабилизатором. Столь высокая эффективность позволяет уменьшить размеры и количество используемых солнечных панелей. Ключевыми особенностями и характеристиками данной микросхемы являются: малый ток покоя, низкое напряжение «холодного запуска», что позволяет работать микросхеме от одной ячейки солнечной батареи при низком уровне освещенности, от термогенератора при малой разности температур, и от других низковольтных устройств, высокий КПД, превышающий 80%, что максимизирует количество энергии, извлекаемой из преобразователя, использование системы слежения за точкой максимальной мощности, что оптимизирует количество энергии, извлекаемой из альтернативных источников ЭЭ (например, солнечных панелей при переменной освещенности, или из термоэлектрических генераторов, работающих в условиях изменяющейся температуры), доступность осуществления программируемых пользователем настроек, что позволяет использовать микросхему преобразователя с разнообразными источниками и накопителями энергии (например, такими, как аккумуляторы различных типов и ионисторы/ суперконденсаторы).
Целью полезной модели является повышение длительности автономной работы известного устройства при его эксплуатации в условиях, когда доступ к стационарным источникам электрической энергии затруднен/ ограничен или отсутствует.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из порта подключения внешних устройств (ППВУ), аккумуляторной батареи (АКБ), преобразователя напряжения (ПН), резервного источника электроэнергии (РИЭ), контроллера заряда резервного источника электроэнергии (КЗРИЭ), фотоэлектрического модуля (ФЭМ) и шины электропитания портативного прибора (ШЭПП), которая своим портом соединена с первым портом АКБ, которая вторым портом соединена с первым портом КЗАБ, который своими вторым и четвертым портами соединен, соответственно, с первым портом ППВУ и с первым портом РИЭ, который вторым портом соединен с первым портом КЗРИЭ, кроме того, узел ФЭП своим портом соединен со вторым портом ПН, и выполненное с возможностью зарядки/ подзарядки узла АКБ от внешнего источника электроэнергии типа сетевого (220 В) адаптера, подключаемого ко второму порту ППВУ, дополнительно в его состав введены менеджер сбора электроэнергии (МСЭЭ), сборщик радиочастотной энергии (СРЧЭ), сборщик вибрационной энергии (СВЭ) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим портом соединен с первым портом МСЭЭ, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, с портом СРЧЭ, с портом СВЭ, с первым портом ГШ и со вторым портом КЗРИЭ, при этом, узел МСЭЭ выполнен с возможностью сбора электрической энергии внешней среды (ЭЭВС), поступающей от узлов ТЭГ, СРЧЭ, СВЭ и ФЭП, с использованием системы слежения за точкой максимальной мощности и аккумуляции ЭЭВС в РИЭ, кроме того, узел РИЭ выполнен по технологии перезаряжаемых батарей типа Thinergy и обеспечивает зарядку в течении времени, исчисляемого минутами, и количество циклов полного разряда-заряда, исчисляемых сотнями тысяч.
Функциональная схема устройства поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии (далее - устройство) представлена на фиг. 2.
Устройство (фиг. 2) состоит из шины электропитания портативного прибора (ШЭПП) 1, порта подключения внешних устройств (ППВУ) 2, аккумуляторной батареи (АКБ) 4, контроллера заряда аккумуляторной батареи (КЗАБ) 5, преобразователя напряжения (ПН) 6, резервного источника электроэнергии (РИЭ) 7, контроллера заряда резервного источника электроэнергии (КЗРИЭ) 8, термоэлектрического генератора (ТЭГ) 10, менеджера сбора электроэнергии (МСЭЭ) 11, сборщика радиочастотной энергии (СРЧЭ) 12, сборщика вибрационной энергии (СВЭ) 13 и фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 9, который своим портом соединен со вторым портом ПН 6, который первым портом соединен с четвертым портом МСЭЭ 11, который своими третьим, вторым, первым и пятыми портами соединен, соответственно, с портом СВЭ 13, с портом СРЧЭ 12, с портом ТЭГ 10 и со вторым портом КЗРИЭ 8, который первым портом соединен со вторым портом РИЭ 7, который первым портом соединен с четверым портом КЗАБ, который своими вторым и первым портами соединен, соответственно, с первым портом ППВУ 2 и со вторым портом АКБ 4, которая первым портом соединена с портом ШЭПП 1. При этом, узел МСЭЭ 11 выполнен с возможностью сбора электрической энергии внешней среды (ЭЭВС), поступающей от узлов ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13 и ФЭП 9, с использованием системы слежения за точкой максимальной мощности и аккумуляции ЭЭВС в РИЭ 7, кроме того, узел РИЭ 7 выполнен по технологии перезаряжаемых батарей типа Thinergy и обеспечивает зарядку в течении времени, исчисляемого минутами, и количество циклов полного разряда-заряда, исчисляемых сотнями тысяч.
Устройство (фиг. 2) функционирует аналогично прототипу в части, касающейся использования узлов ШЭПП 1, АКБ 4, ППВУ 2, КЗАБ 5, РИЭ 7, КЗРИЭ 8, ФЭП 9 и ПН 6. В данном устройстве обеспечивается возможность восстановления энергоресурса АКБ 4 и РИЭ 7 как с использованием электроэнергии от стационарных источников, например электросети 220 В, так и альтернативных источников ЭЭ. При наличии доступа к СИЭЭ типа электросети 220 В зарядка/ подзарядка АКБ 4/ РИЭ 7 осуществляется типовым способом (как в системе-прототипе), который предусматривает подачу напряжения от сетевого (220 В) адаптера на порт 3 узла ППВУ 2. Далее, зарядка/ подзарядки АКБ 4 и РИЭ 7 может выполняться с помощью узла КЗАБ 5 по типовым алгоритмам. При отсутствии СИЭЭ работоспособность АКБ 4 может быть восстановлена с использованием ЭЭ, накопленной в узле РИЭ 7, энергоресурс которого может пополняться за счет альтернативных источников ЭЭ, роль которых выполняют узлы ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13 и ФЭП 9. Процессом сбора ЭЭ из внешней среды и накоплением ее в РИЭ 7 управляет МСЭЭ 11 совместно с узлом КЗРИЭ 8. Накопленная/ запасенная в РИЭ 7 электроэнергия может быть использована по мере необходимости (например, при отсутствии СИЭЭ) для восполнения потерь энергоресурса АКБ 4, потребляемого ШЭПП 1.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение надежности системы электропитания МПЭУ, с точки зрения сохранения его работоспособности при отсутствии доступа к СИЭЭ, за счет использования электрической энергии, которая извлекается из внешней среды с помощью альтернативных источников ЭЭ (узлы ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13 и ФЭП 9). При этом, ЭЭ альтернативных источников аккумулируется в резервном источнике электроэнергии (узел РИЭ 7) и используется для восполнения затрат энергоресурса АКБ 4, которая обеспечивает электропитание ШЭПП 1 (МПЭУ).
В предлагаемом устройстве поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав известного устройства дополнительно введены менеджер сбора электроэнергии (МСЭЭ), сборщик радиочастотной энергии (СРЧЭ), сборщик вибрационной энергии (СВЭ) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим портом соединен с первым портом МСЭЭ, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, с портом СРЧЭ, с портом СВЭ, с первым портом ПН и со вторым портом КЗРИЭ.
Узел МСЭЭ 11 выполнен с возможностью сбора электрической энергии внешней среды (ЭЭВС), поступающей от узлов ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13 и ФЭП 9, с использованием системы слежения за точкой максимальной мощности и аккумуляции ЭЭВС в РИЭ 7.
Узел РИЭ 7 выполнен по технологии перезаряжаемых батарей типа Thinergy и обеспечивает зарядку в течении времени, исчисляемого минутами, и количество циклов полного разряда-заряда, исчисляемых сотнями тысяч.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемом устройстве поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии, из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по повышению длительности автономной работы известного устройства при его эксплуатации в условиях, когда доступ к стационарным источникам электрической энергии затруднен/ ограничен или отсутствует, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии может быть представлен в следующем виде.
- Начало;
- Шаг - 1. Проверка: напряжение питания от внешнего источника энергии на узел ППВУ 2 подано? - Если да, то переход к шагу 2, если нет, переход к шагу 4;
- Шаг - 2. Запуск в узле КЗАБ 5 процедуры подзарядки/ зарядки АКБ 4 и РИЭ 7, переход к шагу 3;
- Шаг - 3. Проверка: зарядка АКБ 4 и РИЭ 7 завершена? Если нет, то возврат к шагу 1, если да, то переход к шагу 4;
- Шаг - 4. Мониторинг альтернативных источников тока, сбор энергии внешней среды (ЭВС) посредством узлов ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13, ФЭП 9 и ПН 6, подача ЭВС на узел КЗРИЭ 8 для накопления ЭЭ в узле РИЭ 7, переход к шагу 5;
- Шаг - 5. Проверка: узел АКБ 4 работоспособен? - Если да, то возврат к шагу 1, если нет, то переход к шагу 6;
- Шаг - 6. Проверка: напряжение питания от внешнего источника энергии на узел ППВУ 2 подано? - Если да, то переход к шагу 2, если нет, переход к шагу 7;
- Шаг - 7. Запуск процедуры подзарядки АКБ 4 от узла РИЭ 7 с использованием узла КЗРИЭ 8, переход к шагу 8;
- Шаг - 8. Проверка: подзарядка АКБ 4 завершена? - Если да, то переход к шагу 1, если нет, то переход к шагу 9;
- Шаг-9. Проверка: энергоресурс РИЭ 7 исчерпан? - Если да, то переход к шагу 10, если нет, то переход к шагу 1;
- Шаг-10. Переход в режим сбора энергии внешней среды (ЭВС) посредством узлов ТЭГ 10, СРЧЭ 12, СВЭ 13, ФЭП 9 и ПН 6, подача ЭВС на узел КЗРИЭ 8 для накопления ЭЭ в узле РИЭ 7, переход к шагу 9;
- Конец.
Узлы ШЭП 1, ППВУ 2, АКБ 4, КЗАБ 5, ПН 6, РИЭ 7, КЗРИЭ 8 и ФЭП 9 могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения.
2
2
В качества узла ТЭГ 10 может быть использован миниатюрный термоэлектрический генератор, известный из [Л9] от корейского института KAIST. Это изделие отличается высоким уровнем эффективности, выполнено в виде миниатюрной, гибкой конструкции, что позволяет разместить ее на коже человека и использовать его тепло для подпитки аккумуляторов. При площади около 10 кв.см, весе менее 13 грамм и при комнатной температуре его мощности хватает, чтобы вырабатывать электроэнергию мощностью до 40 мВт. Как альтернативный вариант, узел ТЭГ 10 может быть реализован на основе миниатюрного тонкопленочного термоэлектрического генератора (TEG™) [Л10] от компании Nextreme. Это изделие обеспечивает выработку энергии плотностью более 3 Вт/см. Тонкопленочный термоэлектрический генератор компании Nextreme вырабатывает более 100 мВт энергии при разнице температур 70K и более 300 мВт при разнице температур в 120K. Модули размером всего 3,5×3,5 мм позволяют получить на выходе мощность плотностью порядка 1-3 Вт/см.
В качестве узла ФЭП 9 могут быть использованы известные из техники [Л11] фотоэлектрические солнечные модули (ФЭСМ), которые широко используются в качестве самостоятельных/автономных источников электроэнергии (САИЭ) для питания аппаратуры малой мощности (радиостанций, GPS-навигаторов, КПК и др.). Эти изделия/модули изготовлены из монокристаллического кремния, защищены антибликовым покрытием, имеют КПД преобразователей не менее 13%, обеспечивают выходное напряжение 4.6-3.0 В при мощности не менее 2 Вт, имеют большой срок службы (не мене 12 лет) и широкий диапазон рабочих температур (-50°C…+70), поэтому могут быть успешно использованы в качестве источника электрической энергии для осуществления зарядки/подзарядки узла АКБ МПЭУ в условиях, когда доступ к СИЭЭ ограничен или не возможен. Альтернативным вариантом реализации узла ФЭП 15 является использование известных из техники [Л12] аморфных фотоэлектрических модулей (АФЭМ), которые также широко используются в качестве автономных источников электрической энергии. АФЭМ относятся к новому поколению фотоэлектрических модулей типа «a-Si/µc-Si Double», которые изготавливаются с применением тонких пленок аморфного кремния a-Si и микропрозрачной кремниевой пленки µc-Si. При этом слой аморфного кремния преобразует в электрическую энергию видимую часть спектра солнца, а микропрозрачная пленка преобразует энергию солнца невидимого инфракрасного спектра. Такая тандемная технология кремниевых пленок позволяет повышать эффективность работы модулей приблизительно на 50% по сравнению с традиционной однопленочной технологией. АФЭМ отличаются высокой эффективностью, с точки зрения работы (преобразования солнечной энергии в электричество) даже в плохую погоду, при недостаточной освещенности, при рассеянном свете и в жарком климате.
Узел СВЭ 12 может быть реализован на основе изделий типа пьезо-MEMS сборщика вибрационной энергии [Л13]. Альтернативным решением по реализации узла СВЭ 12 является использование универсального виброгенератора электроэнергии (УВГЭ), известного из [Л14]. УВГЭ представляет собой особую пленку из нанотрубок, которая помещается на тонкую подложку и устанавливается на пластину цирконата титаната свинца (PZT), являющегося пьезоэлектрическим материалом. Колебания подложки вызывают давление на PZT, в результате чего вырабатываются импульсы электрического тока. Конструкция УВГЭ достаточно миниатюрна (длиной около 20 мм) и может работать на энергии громких звуков, вибрации асфальта от проезжающего транспорта, порывов ветра и т.д.
Узел СРЧЭ 13 может быть реализован на основе изделий типа Powercast Р1110 Powerharvester receiver [Л15], обеспечивающих возможность преобразования энергии радиочастотных излучений в постоянный ток. Эти изделия выполнены в виде миниатюрных микросхем и отличаются высокой эффективностью преобразования радиочастотных излучений диапазона 850-950 МГц, так при уровне входного сигнала 20 дБм обеспечивают получение выходного напряжения 4.2 В при токе 50 мА, чего достаточно для нормальной зарядки аккумуляторной батареи мобильного телефона.
Узел МСЭЭ 11 может быть реализован на основе микросхем типа SPV1050 [Л16] производства компании STMicroelectronics. Эта микросхема позиционируется как высокоэффективный, микропотребляющий сборщик энергии окружающей среды (СЭОС) и отличается миниатюрностью, сверхнизким уровнем энергопотребления, наличием встроенных регуляторов напряжения на 1.8 и 3.3 В и поддержкой технологии слежения за точкой максимальной мощности (МРРТ) для оптимизации сбора энергии. Схема заряда СЭОС поддерживает широкий диапазон типов батарей, включая Li-Ion, Li-Pol, LiCoO, NiMH и NiCd, а также ионисторы и перезаряжаемые батареи типа Thinergy. Кроме того, внутренний понижающе-повышающий преобразователь позволяет SPV1050 подключаться напрямую к любым термоэлектрическим генераторам (ТЭГ) или солнечным элементам, сохраняя работоспособность в широком диапазоне входных напряжений от 0.18 до 8 В. Средний КПД в 90% позволяет быстро заряжать аккумуляторы даже при низких уровнях входной мощности, в то время как высокая точность фиксации рабочей точки вблизи МРТТ увеличивает отбор энергии от ТЭГ и/или солнечных элементов.
Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками и свойствами, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л17-Л22] и авторских технических решений [Л23-Л28].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет успешно решить поставленную задачу, связанную с повышением эффективности системы электропитания МПЭУ, с точки зрения повышения длительности его автономной работы в условиях, когда стационарные источники электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен. При этом, решение поставленной задачи, достигается на основе использования электроэнергии, извлекаемой из внешней среды с помощью альтернативных источников ЭЭ и аккумулируемой в резервном источнике электроэнергии (узел РИЭ 7).
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемого устройства поддержания аккумуляторной батареи в рабочем состоянии изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов.
Производимые устройства могут быть использованы для поддержания в рабочем состоянии аккумуляторных батарей, обеспечивающих электропитание различных технических устройств и систем (ТУС), преимущественно, мобильных/ портативных устройств/ приборов, к которым предъявляются повышенные требования по длительности автономной работы, особенно, при эксплуатации ТУС в условиях, когда стационарные источники электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен.
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, в том числе, когда доступ к стационарным источникам электроэнергии отсутствует или затруднен. Использование данного технического решения обеспечивает существенное повышение эффективности применения, как потребительской радиоэлектронной аппаратуры, так и техники специального назначения, особенно, при ее эксплуатации в сложных условиях, когда доступ к стационарным источникам электроэнергии затруднен или отсутствует.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Устройство защиты аккумуляторной батареи от пиковых токовых нагрузок Патент №124983, дата регистрации 20.02.2013 г.
2. Устройство дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры, Патент на полезную модель №124443, дата регистрации 20.01.2013 г
3. Нетрадиционная зарядка для мобильного телефона, http://neo-http://energy.ru/publ/netradiciormaja_zarjadka_dlja_mobilnogo_telefona/1-1-0-1
4. Adrian Valenzuela. Batteryless energy harvesting for embedded designs, http:////www.greensupplyline.com.
5. Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах, http://www.russianelectronics.ru/developer-r/review/micro/
6. Тонкопленочные батареи компании IPS, http://itw66.ru/
7. Микро-аккумуляторы Thinergy, moshnie_v_mire_mikro_akkumulyatori_thinergy
8. Микросхема от Texas Instruments для устройств сбора энергии от микромощных источников, http://www.rlocman.ru/news/new.html?di=l111712
9. Термоэлектрический генератор для зарядки гаджетов, http://pcnews.ru/news/termoelektriceskij_generator_gadzetov-532093.html
10. Термоэлектрический генератор TEG™ с тонкопленочной наноструктурой, http://www.elinform.ru/news_84.htm
11. Фотоэлектрические модули, http://dom5solntsa.myinsales.ru/collection/fotoeliektrichieskiie-moduli
12. Аморфные фотоэлектрические модули Double (a-Si/μο-Si), http://www.306.ru/solnbat.htm
13. Пьезо-MEMS сборщики виброэнергии, http://forum.radiomaster.com.ua/
14. Универсальный
виброгенератор электроэнергии, http://zaryad.com/2012/01/10/universalnyiy-vibrogenerator-elektroenergii/
15. Product Datasheet P1110-915 MHz RF Powerharvester™ Receiver, http://ru.mouser.eom/ds/2/329/Pl1110-datasheet-694.pdf
16. Микросхема для сбора энергии окружающей среды от STMicroelectronics, http://randomstar.org/news/7120-novaya-mikroshema-dlya-sbora-energii-okruzhayuschey-sredy-ot-stmicroelectronics-rasshiryaet-vozmozhnosti-ustroystv-s-bezbatareynym-pitaniem.html
17. Менеджер преобразователя напряжения, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2008614983 от 16.10.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
18. Менеджер сенсора, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2009610444 от 20.11.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
19. Драйвер светоиндикаторного устройства, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2011610487 от 13.11.2010 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
20. Программа автоматизированной обработки данных, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2009613019 от 10.06.2009 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
21.
Программа приема и обработки аналоговых сигналов, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2011610486 от 11.01.2011 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
22. Менеджер преобразователя напряжения, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2008614983 от 16.10.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
23. Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», Патент на полезную модель №98641 от 20.10.2010 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
24. Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности, Патент на полезную модель №114226 от 10.03 2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
25. Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок, Патент на ПМ №114227 от 10.02. 2012 г., п/о - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
26. Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок, Патент на ПМ №114228 от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
27.
Устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи, Патент на ПМ №127520 от 27.04. 2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ»
28.
Устройство дистанционного контроля работоспособности батареи химических источников тока, Патент на ПМ №130143 от 10.07. 2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ»