УСТРОЙСТВО БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА КОМБИНИРОВАННЫМ АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

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 приборов для заряда интегрированных в них аккумуляторных батарей (АКБ), преимущественно, для обеспечения беспроводной индукционной зарядки (БИЗ) АКБ мобильных/портативных электронных устройств (МПЭУ) комбинированным автономным источником электрической энергии в условиях, когда отсутствует или ограничен доступ к стационарным источникам электрической энергии типа электросети 220 В.
Как показали проведенные исследования, успешное решение различного рода задач зависит от надежности функционирования и удобства применения МПЭУ, особенно, в сложных условиях и стрессовых (для пользователей МПЭУ) ситуациях (СУСС), особенно, при отсутствии/ограничении доступа к стационарным источникам электрической энергии (СИЭЭ).
Очевидно, что надежность бесперебойного функционирования МПЭУ зависит от своевременной зарядки ее АКБ, то есть, от поддержания АКБ в работоспособном состоянии. В случаях, когда происходит разрядка АКБ, встроенной в МПЭУ, и отсутствует возможность выполнения ее своевременной зарядки с помощью штатных/типовых зарядных устройств, функционирующих от СИЭЭ, то возникает отказ в работе МПЭУ. Обычно, для реабилитации/зарядки АКБ используются зарядные устройства (ЗУ), которые подключаются к электросети (220 В, 50 Гц). То есть, в качестве источника электрической энергии (ЭЭ), необходимого для зарядки АКБ, обеспечивающей автономное функционирование МПЭУ, используется стационарная электросеть, являющаяся неотъемлемой частью городской/сельской инфраструктуры. Поскольку деятельность физических лиц (ФЛ) часто происходит далеко от мест, имеющих стационарные источники ЭЭ, позволяющие выполнить зарядку АКБ, встроенной в МПЭУ, типовым образом - с помощью штатных ЗУ, то при отсутствии СИЭЭ, зарядка (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.
В связи с этим, поиск технических решений, обеспечивающих возможность повышения надежности автономной работы МПЭУ, используемых для обеспечения деятельности ФЛ, особенно в СУСС и когда отсутствует/ограничен доступ к СИЭЭ, является актуальным.
В процессе информационного/патентного поиска оценка эффективности использования известных из техники устройств/систем/технических решений, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи, осуществлялась с использованием интегрального критерия эффективности системы электропитания (ИКЭСЭ) МПЭУ. Этот критерий, по мнению авторов, позволяет наиболее полно характеризовать эффективность применения устройств/систем/технических решений, с точки зрения обеспечения ими высокой надежности, удобства применения и сохранения работоспособности МПЭУ в сложных условиях, в том числе в СУСС и когда стационарные источники мощности/электрической энергии отсутствуют или доступ к ним огранен.
Установлено, что известные из техники устройства/системы/технические решения имеют низкий уровень ИКЭСЭ, что обусловлено действием различных факторов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Из техники [Л1] известна система электропитания мобильного устройства (далее-система), состоящая из мобильного телефона (МТ), содержащего последовательно соединенные встроенную аккумуляторную батарею (АКБ), контроллер заряда (КЗ) и порт подключения внешних устройств (ППВУ), и соединенного с ним проводным/контактным способом источника мощности (ИМ), выполненного в виде динамо-машины с ручным приводом (ДМРП), которая выполнена с возможностью выработки электрической энергии (ЭЭ), достаточной для зарядки узла АКБ. При этом, для выполнения зарядка узла АКБ используется кабель с разъемом, который подключается к порту ППВУ.
Данная система обеспечивает возможность подзарядки АКБ мобильного телефона, который находится в условиях, где доступ к электросети и возможность использования штатного зарядного устройства (ЗУ) для восстановления работоспособности АКБ, встроенной в МТ, отсутствует. Система представляет собой портативный источник электроэнергии, приводимый в действие мышечной силой физических лиц. В комплекте динамо-машины с ручным приводом содержится удлинительный кабель и комплект переходников для питания наиболее популярных моделей мобильных телефонов. Этот компактный узел (58×47×32 мм) снабжен складной рукояткой, на его корпусе установлен разъем для подключения удлинительного кабеля, который вторым своим разъемом может подключаться к узлу ППВУ при выполнении подзарядки узла АКБ. Основным компонентом ДМРП является генератор, вал которого соединен с рукояткой устройства посредством зубчатой передачи. Помимо генератора и шестерней зубчатой передачи, в корпусе изделия установлена печатная плата, на которой смонтирован стабилизатор напряжения.
Система работает следующим образом. Для приведения зарядного устройства в рабочее состояние и соединения его с мобильным телефоном необходимо выполнить следующие операции: установить в разъем динамо-машины удлинительный кабель, соединить разъем удлинительного кабеля с переходником, подходящим для установки в разъем мобильного телефона, батарею которого необходимо подзарядить, и установить переходник в разъем узла МТ. После этого необходимо раскрыть складную рукоятку динамо-машины и воспользоваться готовым к работе зарядным устройством. Для получения ЭЭ необходимо вращать рукоятку динамо-машины с частотой, достаточной для того, чтобы на экране подзаряжаемого мобильного телефона индицировался процесс зарядки батареи. Производитель ДМРП рекомендует для обеспечения нормального режима зарядки узла АКБ вращать ручку ДМРП в течение не мене трех минут с частотой 2-2.5 оборота в секунду. После этого, по заявлению производителя ДМРП, пользователю будет обеспечено от трех до пяти минут мобильной связи.
Данная система имеет низкий уровень ИКЭСЭ, что существенно снижает эффективность применения МПЭУ, особенно, в СУСС и при отсутствии или ограниченном доступе к СИЭЭ. Это обусловлено следующими причинами. Система имеет низкую надежность, так как при осуществлении подзарядки узла АКБ для соединения МТ и ДМРП используется кабель с разъемами и переходниками, которые уязвимы к воздействиям внешней среды (пыли, влаги, механических нагрузок). Известно, 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 возможности их повреждения пользователями/ физическими лицами в процессе эксплуатации системы, например, из-за небрежного обращения с коммутационными элементами при выполнении процедур заряда узла АКБ. То есть, используемые в системе электропитания кабели и разъемы 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 коммутационных изделий, что служит источником отказов системы электропитания. Узел ДМРП также имеет низкую надежность, так как его «слабым местом» является зубчатая передача, выполненная из пластиковых шестерен, которые могут выйти из строя (разрушиться) при интенсивном вращении рукоятки узла ДМРП. Кроме того, узел ДМРП имеет ограниченный ресурс непрерывной работы и не обеспечивает выполнение полного цикла зарядки узла АКБ. Шестерни зубчатой передачи, используемые в ДМРП, выполнены из пластика, который уязвим к механическим нагрузкам и может быть сломан при увеличении частоты оборотов ручки устройства. К недостаткам системы также можно отнести тот фактор, что во время работы динамо-машина издает интенсивный акустический шум, затрудняющий ведение телефонных разговоров с помощью МТ. Узел ДМРП имеет низкий КПД. Так, экспериментально установлено, что, трех минут подзарядки узла АКБ мобильного телефона типа Nokia 8850 было недостаточно для осуществления даже одного телефонного вызова, поскольку весь энергоресурс АКБ, полученный в течении 3-х минутной подзарядки, обеспечил только лишь поиск сети мобильной связи и регистрацию в ней МТ. После попытки установить соединение с абонентом сети МТ выключился из-за разряда узла АКБ. Данная система имеет существенные ограничения по обеспечению подзарядки устройств мобильной связи из-з того, что имеющиеся в комплекте переходники поддерживают возможность подключения к ограниченным моделям МТ, система также крайне не удобна в использовании, поскольку для поддержки работоспособности узла АКБ и осуществления вызовов с помощью МТ требуется постоянно использовать ресурс ФЛ - приводить в действие узел ДМРП.
Из техники [Л2] известна система электропитания мобильных/портативных устройств (далее - система), состоящая из электронного прибора (ЭП), содержащего последовательно соединенные встроенную аккумуляторную батарею (АКБ), контроллер заряда (КЗ) и порт подключения внешних устройств (ППВУ), и соединенного с ним проводным/ контактным способом источника мощности (ИМ), выполненного в виде солнечного зарядного устройства (СЗУ), содержащего преобразователь световой энергии в электрическую (ПСЭ), коммутатор, зарядную цепь (ЗЦ), резервный источник тока (РИТ) и узел подключения внешних устройств (УПВУ), который своим первым портом соединен с первым портом коммутатора, который своими вторым, третьим и четвертым портами соединен, соответственно, с узлом РИТ, с узлом ЗЦ и с узлом ПСЭ, который выполнен с возможностью выработки электрической энергии (ЭЭ) с мощностью, достаточной для зарядки узла РИТ или электропитания/зарядки АКБ внешних устройств, подключаемых ко второму порту узла УПВУ, который выполнен в виде стандартного разъема типа USB.
Данная система позволяет обслуживать (обеспечивать электропитанием и/или выполнять зарядку АКБ) ЭП, в качестве которого могут быть использованы различные устройства, для электропитания которых необходим ИМ с выходным напряжением в пределах 3,6…6 В. Такой широкий диапазон питающих напряжений позволяет использовать СЗУ для подзарядки АКБ, встроенных в мобильные телефоны, КПК, медиаплееры, фото- и видеокамеры, навигаторы и другие портативные устройства. Для подключения внешних устройств СЗУ оборудовано портом, выполненным в виде стандартного USB разъема.
Данная система работает следующим образом. В исходном состоянии система находится в режиме подзарядки узла РИТ. Для осуществления подзарядки узла АКБ с помощью соединительного кабеля осуществляется подключение ЭП к СЗУ. При этом, СЗУ размещается на открытом пространстве, где создаются условия для достаточной освещенности так, чтобы солнечный свет падал на узел ПСЭ, что является необходимым условием для обеспечения работы узла ПСЭ. Вырабатываемая узлом ПСЭ электроэнергия через коммутатор и узел УПВУ поступает через ППВУ к узлу КЗ, который обеспечивает зарядку узла АКБ по типовому алгоритму. В случаях, когда освещенность низкая, например, ночью, выполнение подзарядки узла АКБ осуществляется аналогично, за исключением того, что в качестве источника тока используется узел РИТ. Резервный источник тока представляет собой литий-ионный аккумулятор, который (при условии, что он полностью заряжен) можно однократно использовать для подзарядки мобильных устройств, в случаях отсутствия источников света (солнечного освещения). Для повторного использования РИТ, его необходимо зарядить от узла ПСЭ.
Данная система частично устраняет недостатки предыдущей системы. Так, она более удобна в применении, поскольку физическим лицам не требуется тратить свои усилия (крутить ручку узла ДМРП для обеспечения подзарядки узла АКБ). Кроме того, наличие узла РИТ обеспечивает возможность выполнить однократную зарядки узла АКБ при отсутствии освещенности (солнечного света), достаточной для работы узла ПСЭ.
Система имеет недостатки, аналогичные предыдущей системе: низкий уровень ИКЭСЭ, что существенно снижает эффективность применения МПЭУ, особенно, в СУСС и при отсутствии или ограниченном доступе к СИЭЭ. Кроме того, основные узлы системы громоздки, так как для получения требуемой мощности узел СЗУ должен иметь соответствующую площадь фотоэлементов и соединяются контактным способом (с использованием кабелей и разъемов, уязвимых к внешним воздействиям типа пыли, влаги, тряски, ударам и др.). Система не удобна в использовании, поскольку громоздка, содержит проводные соединения между ее узлами. Кроме того, коэффициент преобразования солнечной энергии узла СЗУ весьма низкий (около 15% при ярком солнечном свете) поэтому, на полную подзарядку узла АКБ требуется в несколько раз больше времени, чем при использовании штатного сетевого ЗУ. Для сравнения, длительность зарядки узла АКБ с типовой емкостью составляет: а) около 5 часов при использовании сетевого (220 В) ЗУ, б) около 14 часов при использовании прямых солнечных лучей, в) около 24 часов при использовании лампы дневного света, г) около 3-4 суток в облачную погоду.
Исследования показали, что эффективность применения МПЭУ существенно зависит от свойств интерфейса, используемого для соединения МПЭУ с источником ЭЭ. В рассмотренных выше устройствах транспортирование ЭЭ осуществляется с помощью проводного интерфейса, который, по оценкам авторов, имеет низкую надежность и неудобен в применении. Это обусловлено тем, что элементы проводного интерфейса (ЭПИ), состоящие из проводов и разъемов, подвержены интенсивному износу, так как весьма уязвимы к внешним воздействиям. Типовыми факторам, снижающими надежность ЭПИ, являются факторы окружающей среды 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 МПЭУ, надежность системы электропитания 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 системе электропитания МПЭУ могут возникать неисправности, приводящие к частичной или полной потере работоспособности, как самой АКБ, так и МПЭУ в целом.
Установлено, что для обеспечения успешной деятельности физических лиц, занятых в ответственных сферах, в том числе, работающих в сложных условиях и стрессовых ситуациях (СУСС), например, в службах экстренной помощи, подразделениях силовых структур типа полиции, вооруженных сил государства, используемые ими МПЭУ должны иметь высокий уровень ИКЭСЭ, то есть, удовлетворять повышенным требованиям по надежности, удобству применения и сохранять работоспособность в условиях, когда стационарные источники мощности/электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен.
Как показали исследования, достижение высокого уровня ИКЭСЭ, особенно для МПЭУ эксплуатируемых в СУСС и в условиях, когда стационарные источники мощности/электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен, весьма проблематично, поскольку содержит некоторые противоречия. Так, с одной стороны, для зарядки АКБ, встроенной в МПЭУ, ЭПИ необходимо использовать, чтобы обеспечить транспортировку ЭЭ от источника ЭЭ к узлу АКБ. С другой стороны, использование ЭПИ снижает надежность системы электропитания и удобство применения МПЭУ, поэтому, ЭПИ не нужно использовать. Другим важным аспектом, существенно влияющим на эффективность использования МПЭУ, является возможность восстановления работоспособности АКБ, обеспечивающей автономное функционирование МПЭУ, в условиях, когда стационарные ИЭЭ отсутствуют. В этом плане также существует противоречие, связанное со стремлением увеличить длительность автономной работы МПЭУ. Так, с одной стороны, для повышения длительности автономной работы МПЭУ емкость его АКБ необходимо увеличить. Это требует применения АКБ с большими габаритами и весом, что не допустимо, например, по условиям применения МПЭУ. С другой стороны, для сохранения габаритов и веса МПЭУ параметры его АКБ изменять не надо, что не позволяет применить АКБ с большей емкостью в силу ее больших габаритов и веса.
В виду сложности поставленной задачи и наличия упомянутых противоречий, известные из техники устройства/системы/технические решения имеют существенные недостатки, которые ограничивают возможность достижения высокого уровня ИКЭСЭ МПЭУ, поэтому поиск новых, более совершенных технических решений, является актуальным.
По мнению авторов, повышение уровня ИКЭСЭ МПЭУ может быть достигнуто на основе создания и использования такой системы электропитания МПЭУ, в которой выполнение зарядки АКБ обеспечивается без использования контактных/проводных интерфейсов в сочетании с использованием альтернативных источников ЭЭ, способных обеспечить зарядку узла АКБ в условиях, когда доступ к СИЭЭ ограничен или отсутствует. По мнению авторов, при решении поставленной задачи вполне актуальна идея использования комбинированного источника тока/напряжения (КИТН), который может функционировать как от стационарных источников электрической энергии, например, электросети 220 В, так и от альтернативных источников ЭЭ, например, фото-электрических преобразователей/ модулей. При этом, можно полагать, что реализация системы электропитания МПЭУ без использования контактных/проводных соединений, применяемых для транспортировки ЭЭ в процессе зарядки узла АКБ, на беспроводные, например, за счет применения для этих целей технологии беспроводной индукционной зарядки (БИЗ), может существенно повысить надежность и удобство применения МПЭУ, что в сочетании с возможностью восстановления ресурса АКБ с помощью комбинированного источника электрической энергии, способного обеспечить обслуживание/зарядку в условиях отсутствия или ограниченного доступа к СИЭЭ, позволяет обеспечить существенное повышение уровня ИКЭСЭ и эффективность применения МПЭУ в СУСС.
Создание системы электропитания МПЭУ на основе беспроводной индукционной зарядки (БИЗ), осуществляемой от КИТН, позволяет существенно повысить ИКЭСЭ МПЭУ. Это мнение основано на том, что выполнение БИЗ узла АКБ от КИТН может повысить надежность функционирования и удобство применения МПЭУ в СУСС, поскольку связано с устранением контактных/проводных соединений между составными частями МПЭУ и поддержанием МПЭУ в рабочем состоянии в условиях отсутствия/ограничения доступа к СИЭЭ за счет выполнения зарядки узла АКБ от альтернативных ИЭЭ, интегрированных в КИТН. Исходя из этих предпосылок, основное внимание дальнейших исследований было направлено на поиск устройств/систем/технических решений, обеспечивающих возможность практической реализации системы электропитания МПЭУ с поддержкой БИЗ узла АКБ от КИТН с необходимыми признаками и свойствами.
Из техники [Л3, Л4] известны способы беспроводной передачи электричества (БПЭ), среди которых наибольшее распространение/использование в системах электропитания, обеспечивающих зарядку/восстановление работоспособности АКБ портативных устройств, получила беспроводная индукционная зарядка (БИЗ), основанная на использовании эффекта электромагнитной индукции. Для реализации БПЭ индукционным способом используются индуктивно связанные катушки, расположенные в передающей и приемной цепях. БПЭ осуществляется путем создания в передающей катушке переменного тока, который образует в локальном пространстве, в котором должна быть размещена и приемная катушка, электромагнитное поле (ЭМП). Под действием ЭМП в приемной цепи создается напряжение, которое может использоваться для зарядки АКБ, встроенной в МПЭУ. Отмечается, что технология БПЭ, используемая для индукционной зарядки АКБ портативных/мобильных приборов/устройств/систем обладает рядом достоинств, в том числе, удобством применения, поскольку пользователи МПЭУ для выполнения зарядки АКБ просто кладут это МПЭУ на корпус/зарядную платформу ЗУ, универсальностью, поскольку пользователи могут осуществлять зарядку любых моделей МПЭУ от стандартного беспроводного зарядного устройства, практичностью, поскольку БИЗ позволяет выполнять одновременную зарядку нескольких МПЭУ, а также высокой надежностью, поскольку при обслуживании АКБ отсутствуют проводные соединения между ЗУ и МПЭУ и его конструкция может быть выполнена с достаточной надежностью (например, более надежно герметизирована) и приспособлена для использования в СУСС.
Из техники [Л5-Л7] известен стандарт для беспроводной индукционной передачи энергии QI (Qi), регламентирующий работу передатчика, располагаемого на зарядной платформе (ЗП), и совместимого с ним приемника, который может быть интегрирован в состав МПЭУ для осуществления зарядки встроенной в него АКБ. Согласно стандарту для БИЗ узла АКБ 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 МПЭУ для зарядки встроенной в него АКБ.
Установлено, что использование технологии БПЭ типа является весьма привлекательной для создания на ее основе системы электропитания МПЭУ с возможностями БИЗ узла АКБ, поскольку позволяет повысить уровень ИКЭСЭ МПЭУ за счет устранения контактных/проводных соединений между источником ЭЭ, используемым для зарядки узла АКБ, и МПЭУ.
Из техники [Л8] 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 ЭЭ (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 устройство обеспечивает осуществление беспроводной передачи электрической энергии, которая может быть использована для зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора. Это устройство 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 разъемов и кабелей для подключения АКБ к источнику ЭЭ, что 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 устройства является низкий уровень ИКЭСЭ, что существенно снижает эффективность применения данного устройства, особенно, в СУСС и при отсутствии или ограниченном доступе к СИЭЭ. Это обусловлено следующими причинами. 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. В данном устройстве обеспечивается возможность беспроводной индукционной зарядки узла АКБ только с помощью СИЭЭ, что не позволяет создать систему электропитания МПЭУ с признаками и свойствами, соответствующими идее БИЗ узла АКБ от КИТН, обеспечивающего возможность зарядки АКБ от альтернативных ИЭЭ в условиях отсутствия СИЭЭ.
Из техники [Л9] 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).
Данная система частично устраняет недостатки предыдущего устройства, 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 устройству.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известная из техники [Л10], система индукционной зарядки аккумуляторной батареи портативного устройства (далее - система), состоящая 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 (ГШ), 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 выполненная 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 данной системы 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 (ГШ) 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, система выполнена 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 ВК 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 осуществляется по спецификации стандарта 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.
Как показали исследования, повышение уровня ИКЭСЭ МПЭУ на основе беспроводной индукционной зарядки (БИЗ) узла АКБ, интегрированного в МПЭУ, с использованием комбинированного автономного источника тока/напряжения, содержащего альтернативные ИЭЭ с помощью которых обеспечивается возможность осуществления БИЗ упомянутого узла АКБ в условиях отсутствия стационарных ИЭЭ, из техники не известно.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей известного устройства, связанных с повышением надежности и удобства применения системы электропитания для поддержания в рабочем состоянии (зарядки) аккумуляторной батареи мобильного/портативного электронного прибора при его эксплуатации в сложных условиях и отсутствии/ограничении доступа к стационарным источникам электрической энергии.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известную систему, состоящую 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 выполненного с возможностью соединения 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 выполненную 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 СМ, дополнительно введены в состав узла ЗП зарядная цепь (ЗЦ), батарея химических источников тока (БХИТ) и фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), который своим портом соединен со вторым портом узла БЭП и первым портом узла ЗЦ, который своими вторым и третьим портами соединен, соответственно, с третьим портом узла КЗП и первым портом узла БХИТ, который вторым портом соединен с четвертым портом узла КЗП и четвертым портом узла ПТН, при этом, узлы ФЭП и БХИТ выполнены с возможностью поддержки автономной (без использования электросети 220 В) работы узла ЗП в режиме БИЗ узла АКБ, узел КЗП функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга электрически параметров, например, выходного напряжения, источников электрической энергии (ИЭЭ), в качестве которых используются узлы БЭП, ФЭП и БХИТ, управления автоматической коммутацией ИЭЭ к узлу ПТН, предусматривающей бесперебойное подключение к узлу ПТН источников электрической энергии с уровнем мощности, достаточной для поддержки работы узла ЗП в режиме БИЗ узла АКБ, с учетом приоритетов, установленных для каждого ИЭЭ, например, при установке приоритетов 1, 2 и 3, соответственно, узлам БЭП, ФЭП и БХИТ, подключения к узлу ПТН, в первую очередь, узла БЭП и в случаях потери его работоспособности (например, и-за перебоев электроснабжения в питающей электросети 220 В), подключения к узлу ПТН, во вторую очередь, узла ФЭП и в случаях потери его работоспособности (например, из-за низкой его освещенности), подключения к узлу ПТН, в третью очередь, узла БХИТ, и управления зарядкой/подзарядкой узла БХИТ с использованием электрической энергии узлов БЭП или ФЭП.
Функциональная схема устройства беспроводной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора комбинированным автономным источником электроэнергии (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, датчик тока/напряжения (ДТН) 5, первичную катушку (ПК) 6, преобразователь тока/напряжения (ПТН) 10, зарядную цепь (ЗЦ) 11, батарею химических источников тока (БХИТ) 12, блок электропитания (БЭП) 13, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 15 и контроллер зарядной платформы (КЗП) 4, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с первым портом узла ПТН 10, с первым портом узла ДТН 5, со вторым портом узла ЗЦ 11 и с четвертым портом узла ПТН 10 и вторым портом узла БХИТ 12, который первым портом соединен с третьим портом узла ЗЦ 11, который первым портом соединен с выходом узла ФЭП 15, вторым портом БЭП 13 и третьим портом узла ПТН 10, который вторым портом соединен со вторым портом узла ПК 6, который первым портом соединен со вторым портом узла ДТН 5, и соединенного с ней посредством беспроводной (индуктивной) связи портативного прибора (ПП) 2, содержащего корпус 16 с интегрированным в него постоянным магнитом М2 20, вторичную катушку (ВК) 17, драйвер 18, выпрямитель/регулятор напряжения/ тока (ВРНТ) 22, контроллер заряда (КЗ) 19, аккумуляторную батарею (АКБ) 23 и индикатор 21, который своим входом соединен с первым портом узла КЗ 19, который своими со второго по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ 23 и первым портом узла ВРНТ 22, со вторым портом узла ВРНТ 22 и со вторым портом узла драйвера, который первым портом соединен со вторым портом узла ВК 17, который первым портом соединен с третьим портом узла ВРНТ 22. При этом, устройство выполнено с возможностью фиксации корпуса 16 портативного прибора ПП 2 на корпусе 3 зарядной платформы ЗП 1 с помощью сил постоянного магнитного поля (ПМП) 9, создаваемого постоянными магнитами М1 8 и М2 20, которые встроены в корпуса 3 и 16, соответственно узлов ЗП 1 и ПП 2, и осуществления беспроводной индукционной зарядки узла АКБ 23 по стандарту типа QI. Кроме того, узлы ФЭП 15 и БХИТ 12 выполнены с возможностью поддержки автономной (без использования электросети 220 В) работы узла ЗП 1 в режиме БИЗ узла АКБ 12, узел КЗП 4 функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга электрических параметров источников электрической энергии (ИЭЭ), например, выходного напряжения, узлов БЭП 13, ФЭП 15 и БХИТ 12, и автоматической коммутации (подключения/отключения) к узлу ПТН 10 ИЭЭ с уровнем мощности, достаточным для выполнения/поддержания БИЗ узла АКБ 23, в том числе, подключения к узлу ПТН 10 узла БЭП 13 при наличии на его выходе (порт 2) заданного напряжения (при наличии питающей электросети 220 В 14, подключенной к порту 1 узла БЭП 13), подключения к узлу ПТН 10 узла ФЭП 15 при отсутствии выходного напряжения узла БЭП 13 (например, из-за отсутствия напряжения в электросети 220 В 14 или отсутствии возможности подключения узла ЗП 1 к электросети 220 В 14), подключения узла ПТН 10 к узлу БХИТ 12 при отсутствии напряжения на выходе узлов БЭП 13 и ФЭП 15 (например, из-за низкой его освещенности) и управления зарядкой/подзарядкой узла БХИТ 12 с использованием ЭЭ, поступающей от узла БЭП 13 или ФЭП 15.
Устройство (фиг. 2) функционирует аналогично прототипу. Пользователь устройства для осуществления индукционной зарядки узла АКБ 23 размещает корпус 16 на корпусе 3. При этом, под действием силы притяжения постоянного магнитного поля (ПМП) 9, создаваемого постоянными магнитами М1 8 и М2 20, которые встроены, соответственно, в корпуса 3 и 16, обеспечивается фиксация портативного прибора ПП 2 на зарядной платформе ЗП 1. После установки корпуса 16 узла ПП 2 на корпус 3 узла ЗП 1 происходит идентификация узла ПП 2, как QI - устройства. В соответствии со стандартным протоколом, предусмотренным спецификацией для QI - устройств, на этом этапе между ПП 2 и ЗП 1 устанавливается энергетическая (для канала БПЭ) и коммуникационная (для канала обмена служебной информацией) связь. При наличии стационарного источника электроэнергии в виде стандартной электросети 220 В, узел ЗП 1 подключается к этой сети типовым способом, например, с помощью кабеля с сетевой вилкой. При этом, сетевое напряжение подается на первый порт 14 узла БЭП 13. Выходное напряжение узла БЭП 13 используется для зарядки/подзарядки узла БХИТ 12 по типовому алгоритму, реализуемому узлом КЗП 4 с использованием узла ЗЦ 11. Кроме того, выходное напряжение узла БЭП 13 поступает на узел ПТН 10 и под управлением узла КЗП 4 с использованием узла ПК 6 преобразуется к виду, необходимому для осуществления БИЗ узла АКБ 23. Узел ПП 2 функционирует аналогично прототипу. Узлы ФЭП 15 и БХИТ 12 выполнены с возможностью поддержки автономной (без использования электросети 220 В) работы узла ЗП 1 в режиме БИЗ узла АКБ 12, узел КЗП 4 функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга электрически параметров источников электрической энергии (ИЭЭ), например, выходного напряжения, узлов БЭП 13, ФЭП 15 и БХИТ 12, и автоматической коммутации (подключения/отключения) к узлу ПТН ИЭЭ с требуемым уровнем мощности, например, подключения узла БЭП 13 при наличии напряжения в электросети 220 В 14 или подключения узла ФЭП 15/БХИТ 12 при отсутствии напряжения в электросети 220 В 14 (при отсутствии возможности подключения узла ЗП 1 к электросети 220 В 14) и управления зарядкой/подзарядкой узла БХИТ 12 с использованием ЭЭ, поступающей от узла БЭП 13 или ФЭП 15. Таким образом, выполнение БИЗ узла АКБ 23 может осуществляться при отсутствии электросети 220 В, так как в качестве источника электрической энергии могут использоваться узел ФЭП 15 или узел БХИТ 12. При этом, для обеспечения устойчивой работы узла ФЭП 15, устройство должно размещается в местах с достаточным уровнем освещенности. Электрическая энергия, вырабатываемая узлом ФЭП 15, при отсутствии напряжения в электросети 220 В 14 (или при отсутствии/ограничении доступа к электросети 220 В 14) может также использоваться для зарядки/подзарядки узла БХИТ 12. Это позволяет использовать узел БХИТ 12 для поддержки автономной работы узла ЗП 1 в режиме БИЗ узла АКБ 23 при отсутствии напряжения или ограничении доступа к электросети 220 В 14 или в условиях низкой освещенности, когда эффективность (мощность) узла ФЭП 15 снижается ниже допустимого значения. Процесс выполнения БИЗ узла АКБ 23 отображается на индикаторе 21, например, с помощью соответствующих сообщений типа «идет зарядка», «зарядка завершена», «зарядка прекращена - недостаточный уровень мощности», «БХИТ - разряжена» и т.п.
Техническим результатом, получаемым при использовании данного устройства, является повышение надежности беспроводной индукционной зарядки аккумуляторной батареи МПЭУ, что достигается за счет использования резервных автономных источников электроэнергии (узлы ФЭП и БХИТ), которые поддерживают работу устройства в режиме БИЗ узла АКБ при отсутствии/перебоях в подаче напряжения на выходе узла БЭП.
В предлагаемом устройстве беспроводной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора комбинированным автономным источником электроэнергии (далее - устройство) обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав зарядной платформы ЗП 1 устройства дополнительно введены зарядная цепь (ЗЦ), батарея химических источников тока (БХИТ) и фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), который своим портом соединен со вторым портом узла БЭП и первым портом узла ЗЦ, который своими вторым и третьим портами соединен, соответственно, с третьим портом узла КЗП и первым портом узла БХИТ, который вторым портом соединен с четвертым портом узла КЗП и четвертым портом узла ПТН.
Узлы ФЭП и БХИТ выполнены с возможностью поддержки автономной (без использования электросети 220 В) работы узла ЗП в режиме БИЗ узла АКБ.
Узел КЗП функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга электрически параметров источников электрической энергии (ИЭЭ), например, выходного напряжения, узлов БЭП, ФЭП и БХИТ, и автоматической коммутации к узлу ПТН ИЭЭ с требуемым уровнем выходной мощности, в том числе, подключения узла БЭП при наличии напряжения на его выходе или подключения узла ФЭП при отсутствии напряжения на выходе узла БЭП или подключения узла БХИТ при отсутствии напряжения на выходах узлов БЭП и ФЭП, и управления зарядкой/ подзарядкой узла БХИТ с использованием ЭЭ узлов БЭП или ФЭП.
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, связанных с повышением надежности и удобства применения системы электропитания для поддержания в рабочем состоянии (зарядки) аккумуляторной батареи мобильного/портативного электронного прибора при его эксплуатации в сложных условиях и отсутствии/ ограничении доступа к стационарным источникам электрической энергии, 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 23: установка корпуса 16 узла ПП 2 на корпусе 3 узла ЗП 1, фиксация корпусов 3 и 16 с помощью магнитов М1 8 и М2 20, установка устройства в освещенном месте и переход к шагу 2;
- Шаг-2. Инициализация беспроводной/индуктивной связи между узлами ПП 2 и ЗП 1, идентификация узла ПП 2 узлом ЗП 1 в соответствии со стандартом 01, переход к шагу 3;
- Шаг-3. Проверка: уровень выходной мощности узла ФЭП 15 достаточный? - Если да, то переход к шагу 4, если - нет, то переход к шагу 5;
- Шаг-4. Активация беспроводной передачи электричества (БПЭ), выполнение БИЗ узла АКБ 23, подзарядка/зарядка узла БХИТ 12, переход к шагу 6;
- Шаг-5. Подключение узла БХИТ 12 для выполнения БИЗ узла АКБ 23, переход к шагу 7;
- Шаг-6. Проверка: процедура БИЗ узла АКБ 23 завершена? - если Да, то переход к шагу 8, если нет, то возврат к шагу 3;
- Шаг-7. Проверка: уровень мощности узла БХИТ 12 достаточный для выполнения БИЗ узла АКБ 23? - Если да, то переход к шагу 4, если - нет, то вывод на индикатор 21 сообщения об отсутствии возможности выполнения БИЗ узла АКБ 23, переход к шагу 8;
- Шаг-8. Завершение работы: выключение процесса БПЭ и вывод на индикатор 21 сообщения об успешной/ не успешной БИЗ узла АКБ 23.
- Конец.
Узлы корпуса 3, КЗП 4, ДТН 5, ПК 6, М1 8, ПТН 10, БЭП 13 и ПП 2 могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения. Также, узел КЗП 4 также может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л11].
Узел БХИТ 12 может быть выполнен с использованием аккумуляторов, например, литиевых [Л12, Л13], отличающиеся тем, что обладают большой емкостью, могут отдавать большой ток, обладают широким температурным диапазоном (от -40°C до +60°C), имеют большой срок службы, низкий ток саморазряда и практически не теряют емкость при отрицательных температурах. При реализации узла ЗЦ 11 и разработке алгоритмов функционирования узла КЗП 4, связанных с зарядкой узла БХИТ 12, могут быть использованы методы, известные из [Л14].
В качестве узла ФЭП 15 могут быть использованы известные из техники [Л15] 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 [Л16] 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.
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-Л20 и авторских технических решений [Л21-Л25].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства беспроводной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора комбинированным автономным источником электроэнергии, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет успешно решить поставленную задачу, связанную с повышением надежности функционирования и удобства применения МПЭУ в СУСС и условиях, когда стационарные источники электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен. При этом, повышение эффективности применения МПЭУ, при использовании предлагаемого технического решения, достигается за счет использования комбинированного автономного источника электроэнергии, обеспечивающего возможность осуществления БИЗ узла АКБ, встроенного в МПЭУ, при отсутствии стационарных источников электроэнергии типа электросети 220 В.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемого устройства беспроводной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора комбинированным автономным источником электроэнергии изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые устройства 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, особенно, при эксплуатации их в условиях, когда стационарные источники электрической энергии отсутствуют или доступ к ним ограничен.
Разработанное авторами техническое решение также обеспечивает существенное повышение уровня работоспособности МПЭУ, поскольку обеспечивает возможность осуществления беспроводной индукционной зарядки АКБ, встроенной в МПЭУ, с использованием альтернативных источников электрической энергии (узлов БХИТ 12 или ФЭП 15) в условиях, когда стационарные источники электроэнергии отсутствуют.
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, особенно, 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 без доступа к стационарным источникам электроэнергии.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Походное зарядное устройство для мобильных телефонов, (Динамо-машина с ручным приводом), http://www.3dnews.ru/power/neodrive_charge
2. Солнечные зарядки для мобильных телефонов. СЗУ BORTON SC-24, http://technoportal.ua/articles/gadgets/4914.html
3. Беспроводная передача электричества, http://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=e3297268-c8d5-4308-8f5b-7c9592e701fb
4. Беспроводная передача энергии и беспроводные зарядные устройства, http://venture-biz.ru/teknologii-innovatsii/152-besprovodnaya-peredacha
5. Стандарт Qi, http://ru.wikipedia.org/wiki/Qi
6. Индукционная беспроводная зарядка стандарта Qi, http://tigors.net/qi-wireless-induction-charger/
7. Стандарт QI: зарядка мобильных устройств без проводов, http://www.chip.ua/stati/go-digital/2012/12/standart-qi-zaryadka-mobilnyh-ustroistv-bez-provodov
8. Устройство, система для передачи электромагнитной энергии, а также способ, позволяющий осуществлять эту передачу, патент RU 2009114693 A, дата публикации 27.10.2010 г.
9. Система и способ индуктивной зарядки аккумулятора, патент на изобретение №2009115795 A, дата публикации заявки: 20.11.2010 г.
10. Беспроводное зарядное устройство смартфона Nokia Lumia 920 http://habrahabr.ru/company/Nokia/blog/153909/
11. Микроконтроллеры серии PIC18FX5XX с поддержкой шины USB 2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic18_2.htm
12. Литиевые аккумуляторы, http://www.powerinfo.ru/accumulator-li.php
13. Литиевые аккумуляторы, http://www.superfonarik.ru/article_info.php
14. Аккумуляторы для мобильных устройств - методы заряда, http://www.ixbt.com/mobile/battery-charge.html
15. Фотоэлектрические модули, http://dom5solntsa.myinsales.ru/collection/fotoeliektrichieskiie-moduli
16. Аморфные фотоэлектрические модули Double (a-Si/µc-Si), http://www.306.ru/solnbat.htm
17. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610487 от 13.11.2010 г.
18. 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.
19. 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.
20. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер преобразователя напряжения», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2008614983 от 16 октября 2008 г.
21. Войсковая часть 11135 (RU), Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации», зарегистрирован в ФИПС РФ 20.12.2006 г.
22. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован в ФИПС РФ от 20.10.2010 г.
23. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности», зарегистрирован в ФИПС РФ от 10.03 2012 г.
24. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок», зарегистрирован в ФИПС РФ 10.03 2012 г.
25. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок», зарегистрирован в ФИПС РФ 10.03.2012 г.