ЭКРАНИРОВАННАЯ СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ МНОГОПОЗИЦИОННОЙ ЗАРЯДКИ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
SHIELDED SYSTEM OF WIRELESS MULTI-POSITION CHARGING OF MOBILE DEVICES

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно - к устройствам беспроводной передачи энергии и, в частности, к беспроводным зарядным системам, способным зарядить одно или несколько мобильных устройств одновременно.
Мобильное устройство, заряжаемое беспроводным способом, содержит встроенную приемную катушку. Оно заряжается при расположении над передающей катушкой беспроводного зарядного устройства. В приемной катушке создается индуцированная электродвижущая сила за счет магнитного поля, созданного передающей катушкой.
Эффективная передача мощности одному или нескольким мобильным устройствам одновременно обуславливает необходимость увеличения размера передающей катушки или использования большого числа передающих катушек. Увеличение размера передающей системы повышает уровень паразитного электромагнитного излучения и осложняет обеспечение равномерной эффективности передачи энергии по поверхности зарядного устройства. Это вызывает трудности в применении известных беспроводных технологий передачи электроэнергии для зарядки мобильных устройств и другой бытовой техники.
Эффективным является резонансный индуктивный способ беспроводной передачи энергии, который основан на следующем принципе: резонансные LC-контуры с одинаковыми собственными резонансными частотами образуют резонансную систему, обменивающуюся энергией через магнитное поле. Энергия магнитного поля сосредоточена внутри структуры беспроводной резонансной зарядной системы и не создает паразитарного электромагнитного излучения.
Преимущества беспроводной зарядки мобильных устройств и другой бытовой техники явились действенным стимулом для разработки многочисленных устройств, обеспечивающих такую зарядку как для единичных устройств, так и для нескольких устройств одновременно.
В настоящее время известны следующие технические решения. Техническое решение, описанное в патенте США №8076801 [1]. Данный патент описывает приемо-передающую часть системы беспроводной передачи энергии, включающую в себя петли связи и высокодобротные многовитковые спиральные катушки. Петли связи служат для согласования приемника и передатчика энергии с соответствующими приемной и передающей спиральными катушками. Также описан способ подавления паразитного электромагнитного излучения возбуждением передающей катушки на частоте отличной от собственной частоты и сдвинутой на частоту, соответствующую нечетной собственной частоте связанных резонаторов. Данное решение имеет следующие недостатки.
- Для компенсации изменений эффективности передачи энергии при изменении расстояния и/или ориентации устройства приема энергии относительно передающей катушки требуется адаптивная перестройка частоты. Для ее реализации необходимо применение передающей и приемной резонансных катушек одного типа. Магнитно-связанные катушки различных типов имеют отличающиеся частотные характеристики и требуют установки различных рабочих частот. Адаптивная перестройка частоты неосуществима для приемных катушек, имеющих коэффициент связи ниже критического.
- Не определена реконфигурируемая решетка передающих катушек.
- Передающая катушка ухудшает чувствительность антенн, встроенных в мобильные устройства, таким образом, влияя на прием сигналов беспроводных сетей. Возможность улучшения чувствительности антенн для передачи данных отсутствует.
- Экранирование системы беспроводной передачи энергии для подавления паразитного излучения электромагнитного поля не предусмотрено.
Другой патент США №8299652 [2] описывает способ и устройство, которое обеспечивает передачу энергии от передающего устройства на несколько устройств приема энергии, связанных с передающим устройством на нескольких диапазонах частот. Данному решению присущи те же недостатки, которые были отмечены в отношении патента [1]. Кроме того, в качестве недостатка следует отметить, что в патенте [2] не содержится рекомендаций относительно возможности сокращения площади поверхности, необходимой для беспроводной передачи энергии большому количеству мобильных устройств.
В патенте США №8102147 [3] описана система, включающая в себя множество устройств беспроводной передачи энергии. Она позволяет заряжать большое число мобильных устройств. Система беспроводной передачи энергии представляет собой стол, на поверхности которого установлено множество блоков беспроводной передачи энергии, каждый из которых включает в себя передающую катушку. Аккумулятор приемного устройства экранирован от магнитного поля передающей катушки. Данное решение имеет следующие недостатки.
- Экранирование блоков беспроводной передачи энергии для подавления паразитного излучения электромагнитного поля не предусмотрено.
- Произвольная ориентация устройств приема энергии не допускается.
Патентная заявка США №2011/0062914 [4] описывает способ и устройство для беспроводной зарядки мобильного устройства. Способ предусматривает: обнаружение мобильного устройства, расположенного на зарядном устройстве, по уникальному идентификатору мобильного устройства; определение, поддерживает ли мобильный устройство беспроводную зарядку; подачу постоянного тока на первичную катушку зарядного устройства для выравнивания положения мобильного устройства относительно зарядного устройства; отключение постоянного тока, а затем подачу переменного напряжения на первичную катушку и электропитание зарядного устройства мощностью, необходимой для мобильного устройства. Данное решение имеет следующие недостатки.
- Экранирование блоков беспроводной передачи энергии для подавления паразитного излучения электромагнитного поля не предусмотрено.
- Методика повышения чувствительности встроенных антенн мобильного устройства для передачи данных и связи не описана.
- Произвольная ориентация мобильных устройств, принимающих энергию, не предусмотрена.
Патентная заявка США №2011/0210621 [5] описывает устройство беспроводной передачи энергии для эндоскопа капсульного типа. Конструкция имеет три катушки, которые создают магнитное поле в направлениях, ортогональных одно другому; датчик силы тяжести, который определяет направление вектора гравитации; блок переключения катушек, который выбирает катушку, создающую магнитное поле в направлении гравитации; и блок генератора мощности, подающего переменный ток на выбранную катушку. Данное решение имеет следующие недостатки.
Экранирование передающих катушек для подавления паразитного излучения электромагнитного поля не предусмотрено.
- Отсутствуют средства передачи данных от приемника энергии.
- Одновременная зарядка нескольких устройств приема энергии не предусмотрена.
Патентная заявка США №2011/0046438 [6] описывает систему беспроводной передачи энергии, которая включает в себя: множество передающих антенн, каждая из которых включает в себя резонансный контур из передающей катушки и конденсатора, каждая передающая антенна расположена так, чтобы генерировать магнитное поле в нужном направлении; микроконтроллер, управляющий резонансным состоянием каждой передающей антенны, множество блоков генерации мощности, связанных с множеством передающих антенн и управляющих каждой из множества передающих антенн; и блок питания множества блоков генерации мощности. Данное решение имеет те же недостатки, которые отмечены в отношении заявки [5].
Аналогичные недостатки присущи решению, предложенному в патенте США №8304935 [7], где описана система беспроводной передачи энергии, содержащая передающий резонатор, связанный с источником энергии, и приемный резонатор, расположенный на расстоянии от передающего резонатора. Передающий резонатор и приемный резонатор связаны в ближнем поле для обеспечения беспроводной передачи энергии между передающим резонатором и приемным резонатором; поле, по меньшей мере, одного из передающего и приемного резонаторов имеет форму, огибающую объект, вызывающий потери энергии.
К наиболее близким аналогам заявляемого технического решения следует отнести патенты США №7948208 [8], США №7952322 [9] и заявку на патент США №2011/0221385 [10], описывающие сходную систему из портативных индуктивных источников питания, выполненных в виде устройства или модуля, для электропитания или для зарядки электрических, электронных, мобильных и других устройств. В соответствии с предложенными вариантами реализации система включает в себя базовый блок в форме стола или аналогичной поверхности, содержащей устройство передачи энергии. Устройство передачи энергии создает переменное магнитное поле путем подачи переменного тока на обмотку, катушку или любой тип токоведущих проводов. Наличие электронных устройств, поддерживающих беспроводную зарядку и расположенных близко и по центру относительно одной или нескольких первичных катушек базового блока, обнаруживается путем контроля тока, проходящего через одну или несколько первичных катушек. Для исключения влияния электромагнитного поля, созданного устройством передачи энергии на проводящие части приемного устройства, предлагается обеспечить достаточное расстояние между приемной катушкой и другими проводящими частями или использовать ферритовый материал между приемной катушкой и проводящими частями приемного устройства для экранирования приемного устройства. Данное решение имеет следующие недостатки.
- Экранирование передающих катушек для подавления паразитного излучения электромагнитного поля не предусмотрено.
- Средства повышения чувствительности встроенных антенн мобильного устройства для передачи данных и мобильной связи отсутствуют.
- Произвольная ориентация мобильных устройств, принимающих энергию, не предусмотрена.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке такой системы беспроводной зарядки, которая лишена большинства присущих аналогам недостатков и способна обеспечить:
- зарядку нескольких мобильных устройств одновременно;
- упрощенную адаптивную перенастройку;
- ослабление излучения в дальнюю зону и исключение паразитной электромагнитной интерференции;
- сохранение чувствительности заряжаемых мобильных устройств к сигналам беспроводных сетей;
- защиту человека от воздействия электромагнитного излучения. Технический результат достигается за счет создания усовершенствованной беспроводной многопозиционной зарядной системы, включающей в себя базовый блок в форме одной или нескольких поверхностей, снабженных передающими катушками, создающими переменное магнитное поле за счет подачи переменного тока на обмотку, катушку, или любой тип токоведущих проводов, сгруппированных в решетку; а также устройство приема энергии, содержащее схему управления электропитанием и приемную катушку, индуцирующую ток в магнитном поле передающей катушки, при этом отличительными признаками заявляемой системы являются следующие:
- наличие экранирующей структуры, выполненной с возможностью ослабления интенсивности электромагнитного поля вне экранированного беспроводного многопозиционного зарядного устройства;
- наличие встроенных в зарядное устройство пассивных ретранслирующих антенн;
- группирование передающих катушек в решетках таким образом, что магнитное поле локализуется внутри структуры и не выходит за пределы активной области;
- возможность адаптивной настройки зарядного устройства к произвольному расположению заряжаемых устройств на поверхности зарядного устройства.
К основным преимуществам настоящего изобретения относятся:
- Применение экранирующей структуры для экранированной системы беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств, с целью ослабления излучения в дальнюю зону и исключения паразитной электромагнитной интерференции. Распространение электромагнитного поля ограничено структурой экранированной системы беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств. Излучение в дальнюю волновую зону подавляется за счет конструкции системы. При этом, предлагаемая структура обеспечивает эффективное решение проблемы электромагнитной совместимости и обеспечивает защиту человека от воздействия электромагнитного излучения.
- Возможность беспроводной зарядки нескольких мобильных устройств одновременно. При этом используется решетка передающих катушек, магнитно связанных друг с другом и с мобильными устройствами. Для того чтобы мобильные устройства могли получать электрическую энергию, они должны находиться в активных зонах зарядного устройства.
- Реализация беспроводной многопозиционной зарядной системы с перестраиваемым согласованием нагрузочного импеданса и электропитанием решетки передающих катушек, обеспечивающей фокусировку магнитного потока в одной или нескольких активных зонах между соседними передающими катушками.
- Обеспечение эффективной связи встроенной в мобильное устройство антенны со свободным пространством вне беспроводного многопозиционного зарядного устройства. Беспроводная многопозиционная зарядная система не влияет на чувствительность заряжаемого мобильного устройства к сигналам сетей беспроводной связи благодаря встроенным пассивным ретранслирующим антеннам. Эти ретранслирующие антенны связаны с встроенными в мобильное устройство антеннами для излучения или приема сигналов беспроводных сетей.
В заявляемой беспроводной многопозиционной зарядной системе проблема электромагнитной совместимости и подавления паразитного излучения электромагнитного поля решаются с помощью:
- экранирующей структуры, окружающей решетку передающих катушек;
- расположения решетки передающих катушек таким образом, что магнитное поле локализуется внутри структуры и не выходит за пределы активной области.
Система беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств (далее - система) включает в себя собственно зарядное устройство и одно или более устройств приема энергии. Под термином «устройство приема энергии» следует понимать электрическое, электронное, с аккумуляторным электропитанием, мобильное или любое другое устройство, способное потреблять энергию или заряжаться беспроводным способом через магнитное поле.
В одном из вариантов реализации система состоит из следующих элементов: зарядное устройство, включающее в себя решетку передающих катушек, установленную в одну или несколько плоских поверхностей, так что каждая поверхность содержит, по меньшей мере, одну передающую катушку; устройства приема энергии, которые при беспроводной зарядке располагаются на поверхностях зарядного устройства.
В объеме между соседними передающими катушками зарядного устройства сформированы активные зоны, характеризующиеся тем, что в них амплитуда плотности магнитного потока максимальна. Одно или несколько устройств приема энергии, помещенных в этих активных зонах, заряжаются беспроводным способом. Экранирующая структура сформирована как из электропроводящих, так и из магнитных поверхностей, окружающих решетку передающих катушек. Эта экранирующая структура ограничивает магнитное поле, генерируемое при беспроводной передаче энергии, в пределах зарядного устройства.
Каждое мобильное устройство располагается на поверхности зарядного устройства так, что его приемная катушка находится в одной из активных зон и связана с передающей катушкой. В этом случае каждая приемная катушка локализована в области с интенсивным потоком магнитного поля, возбужденного решеткой передающих катушек.
Также элементом системы является устройство приема энергии, способное получать электропитание или заряжаться с помощью приемной катушки. Когда устройство приема энергии помещается в активной зоне, приемная катушка и соответствующая передающая катушка связываются магнитным потоком, проходящим через обе катушки. Таким образом, магнитный поток, создаваемый передающей катушкой, индуцирует ток в приемной катушке, и энергия передается в устройство приема энергии. Устройство приема энергии содержит выпрямитель, подключенный к приемной катушке, и схему управления электропитанием, включающую схему заряда аккумулятора.
В одном из вариантов реализации зарядное устройство включает в себя встроенную схему электропитания для возбуждения магнитного поля с помощью решетки передающих катушек.
В некоторых вариантах реализации решетка передающих катушек получает энергию посредством схемы согласования передатчика, подключенной к соответствующим передающим катушкам. Схема согласования передатчика выполнена с возможностью распределения мощности и согласования импеданса для каждой передающей катушки. В соответствии с таким вариантом реализации схема распределения мощности и согласования импеданса включает в себя следующие компоненты: источник электропитания, питающий один или несколько радиочастотных генераторов мощности, блоки согласования передатчика и переключатели. Эти компоненты выполнены с возможностью определения плотности тока и направления тока в каждой передающей катушке, следовательно, они определяют распределение плотности генерируемого магнитного потока и количество активных зон.
В соответствии с другим вариантом реализации каждая передающая катушка получает энергию от соответствующей цепи электропитания.
Использование решетки передающих катушек с активным и пассивным режимами возбуждения обеспечивает одновременную и эффективную зарядку различных типов устройств приема энергии, расположенных в активных зонах зарядного устройства.
В некоторых вариантах реализации используется алгоритм, автоматически определяющий положение устройства приема энергии. После определения положения изменяется распределение интенсивности магнитного потока в соответствующих активных зонах.
В соответствии с основным вариантом реализации экранирующие поверхности окружают решетку передающих катушек для защиты окружающего электронного оборудования от электромагнитных помех и подавления паразитного излучения от зарядного устройства. Экранирующие поверхности, как правило, формируются из тонких пленок феррита, искусственных магнитопроводящих материалов или их комбинации.
В соответствии с основным вариантом реализации экранирующие поверхности включают в себя пассивные ретранслирующие антенны. Они связаны с антеннами, встроенными в устройство приема энергии, для излучения или приема сигналов беспроводных сетей из свободного пространства за пределами зарядного устройства. Ретранслирующие антенны равномерно располагаются по периметру каждой активной зоны. Таким образом, достигается эффективный прием сигналов беспроводных сетей для любой позиции и ориентации устройства приема энергии.
Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения варианты его реализации поясняются далее со ссылками на графические материалы.
Фиг.1 - упрощенный внешний вид экранированной системы беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
Фиг.2 - схема расположения решетки передающих катушек и активных зон, в которых возможна эффективная беспроводная передача энергии.
Фиг.3 - схема подключения цепи электропитания к решетке передающих катушек и подключения приемной катушки к схеме заряда и к аккумулятору.
Фиг.4 - распределение магнитного поля с фокусировкой в определенных активных зонах.
Фиг.5 - равномерное распределение магнитного поля между активными зонами.
Фиг.6 - график зависимости величины тока в передающей катушке в пассивном режиме возбуждения от нагрузочного импеданса соответствующей схемы согласования передатчика.
Фиг.7 - упрощенный внешний вид решетки передающих катушек с устройствами приема энергии в различных позициях и ориентациях в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
Фиг.8 - упрощенная конструкция экранирующей структуры в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
Фиг.9.1 - расположение пассивных ретранслирующих антенн, связанных с антеннами, встроенными в устройства приема энергии, в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
Фиг.9.2 - расположение пассивных ретранслирующих антенн и согласующих элементов, связанных с антеннами, встроенными в устройство приема энергии, в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.
Внешний вид системы, использующей электромагнитную индукцию, в соответствии с настоящим изобретением показан на Фиг.1. Система включает в себя зарядное устройство 110 и несколько устройств 120 приема энергии. Каждое устройство 121-124 приема энергии либо включает в себя аккумулятор и средства для его беспроводной зарядки, либо работает, получая энергию непосредственно от зарядного устройства.
Экранирующая структура 111 зарядного устройства 110 ограничивает магнитное поле, генерируемое при беспроводной передаче энергии в пределах объема зарядного устройства 110.
Аккумулятор, установленный в устройствах 120 приема энергии, является перезаряжаемым, таким как литий ионный, литий полимерный или другого типа. Зарядное устройство 110 принимает электрическую энергию от внешнего источника электропитания и генерирует магнитное поле для беспроводной зарядки аккумулятора в устройствах 120 приема энергии. В соответствии с Фиг.1 зарядное устройство 110 выполнено в виде ряда плоских поверхностей, предназначенных для размещения устройств 120 приема энергии, тем не менее, оно может быть реализовано и в других формах. Зарядное устройство 110 включает в себя решетку передающих катушек, каждое из устройств 120 приема энергии включает в себя приемную катушку.
В одном из вариантов реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 встроены в зарядное устройство 110 для излучения и приема сигналов беспроводных сетей устройствами 120 приема энергии.
В одном из вариантов реализации источник 140 ультрафиолетового излучения встроен в зарядное устройство 110 для дезинфекции устройств 120 приема энергии.
На Фиг.2 представлена схема расположения решетки передающих катушек 210 и активных зон 220 зарядного устройства 110. В активных зонах 221, 222 возможна эффективная беспроводная передача энергии. Каждая передающая катушка 211-214 установлена в соответствующей ей плоской поверхности экранирующей структуры 111 (см. Фиг.1). В этом случае активные зоны 220 формируются на каждой поверхности, таким образом, что амплитуда потока магнитного поля максимальна на этой поверхности. Таким образом, устройства 120 приема энергии, размещенные в активных зонах 220, обеспечиваются электропитанием или заряжаются беспроводным способом.
Фиг.3 иллюстрирует схему подключения цепи электропитания к решетке передающих катушек 211-214 и подключение приемной катушки к схеме 331 заряда и к аккумулятору 371. В соответствии с данным вариантом реализации зарядное устройство 110 (см. Фиг.1) включает в себя цепь 310 электропитания, подключенную к решетке передающих катушек 211-214 и, таким образом, определяющую интенсивность и пространственное распределение генерируемого магнитного поля. При этом цепь 310 электропитания включает в себя следующие компоненты: источник 311 электропитания, радиочастотный генератор 312 мощности, переключатель 313 и блок 314 согласования передатчика. Цепь 310 электропитания используется для распределения энергии и согласования импеданса в решетке передающих катушек 211-214.
Источник 311 электропитания соединен с радиочастотным генератором 312 мощности. Радиочастотный генератор 312 мощности генерирует переменный ток и подает его на вход блоков 314 согласования передатчика посредством переключателей 313.
В другом варианте реализации в цепи 310 электропитания отсутствуют переключатели 313. В этом случае один или несколько радиочастотных генераторов 312 мощности напрямую подключены к блокам 314 согласования передатчика.
Как показано на Фиг.3, решетка из N передающих катушек 211-214 соединена с N блоками 314 согласования передатчика. Блоки 314 согласования передатчика обеспечивают распределение мощности и согласование импеданса для каждой из передающих катушек 211-214.
Активные зоны 220 (см. Фиг.2) образуются в объеме между соседними передающими катушками, например, между катушкой 211 (1) и катушкой 212 (2) или между катушкой 213 (N-1) и катушкой 214 (N). Каждое из устройств 121, 122 приема энергии размещено таким образом, что приемные катушки 321, 322 (см. Фиг.3) соответственно находится в одной из активных зон 221, 222 и связана по магнитному полю с решеткой передающих катушек 211-214. В этом случае каждая приемная катушка 321, 322 локализована в зоне интенсивного магнитного потока, генерируемого решеткой передающих катушек 211-214
Как показано на Фиг.3, устройство 121 приема энергии содержит приемную катушку 321, схему 331 заряда и аккумулятор 371. Приемная катушка 321 индуктивно связана с соответствующей передающей катушкой 211. Таким образом, магнитное поле, создаваемое передающей катушкой 211, индуцирует ток в приемной катушке 321. Схема 331 заряда предназначена для зарядки аккумулятора 371 за счет энергии принятой приемной катушкой 321.
В данном описании термин «схема 331 заряда» интерпретируется как «схема электропитания» и для случая зарядки аккумулятора 371, и для случая непосредственного электропитания устройства 121 приема энергии.
В соответствии с одним из вариантов реализации схема 331 заряда обеспечивает электропитание устройства 121 приема энергии или заряжает его аккумулятор 371 или выполняет оба действия одновременно. Схема 331 заряда включает в себя любые подходящие для ее функционирования компоненты. Энергия, принятая приемной катушкой 321 от соответствующей передающей катушки 211, поступает в выпрямитель 351 посредством блока 341 согласования приемника. Выпрямитель 351 подключен к регулятору 361 электропитания. Регулятор 361 электропитания реализует различные функции, в том числе: стабилизацию напряжения для электропитания устройства 121 приема энергии, измерение параметров аккумулятора 371 (напряжение, ток, мощность). Требуемый режим зарядки аккумулятора 371 запрограммирован в регуляторе 361 электропитания. Выполнение этих функций основывается на корректном регулировании тока на выходе выпрямителя 351, в приемной катушке 321 и в передающей катушке 211
В соответствии с одним из вариантов реализации одно или более устройств 120 приема энергии размещают в зарядном устройстве 110 в одной или более активных зонах 220 (см. Фиг.1, 2). Зарядное устройство 110 распознает местоположение каждого из устройств 120 приема энергии в соответствии с одним из перечисленных ниже алгоритмов реализации автоматического обнаружения.
В некоторых вариантах реализации зарядное устройство 110 и устройства 120 приема энергии (см. Фиг.1) устанавливают связь друг с другом для передачи данных. Методы, используемые в сетях связи, такие как RFID, NFC, Bluetooth, Bluetooth low-energy (BLE), Zig-Bee, «2.4 GHz Ant+» или любой другой способ передачи информации, применимы для автоматического обнаружения устройств 120 приема энергии.
В соответствии с одним из вариантов реализации различные типы антенн применимы для приемопередатчика данных зарядного устройства 110 и для одного или более устройств 120 приема энергии (см. Фиг.1). Эти антенны предназначены для передачи информации о присутствии устройства 120 приема энергии, его идентификационных данных, параметров емкости аккумулятора и режима зарядки.
В некоторых вариантах реализации антенны интегрированы с передающими катушками 211 и приемными катушками 321 (см. Фиг.3). В других вариантах реализации антенны передачи данных применяются отдельно от катушек беспроводной передачи энергии.
В соответствии с одним из вариантов реализации для определения позиции одного или более устройств 120 приема энергии используется алгоритм автоматического обнаружения (см. Фиг.1). В некоторых вариантах реализации алгоритм работает следующим образом. В ненагруженном режиме зарядное устройство 110 имеет пониженное энергопотребление. Передающие катушки 210 в заданные интервалы времени кратковременно передают энергию для активации устройств 120 приема энергии. Затем зарядное устройство 110 ожидает получения обратного сигнала от устройств 120 приема энергии, которые находятся в соответствующих активных зонах 220 (см. Фиг.2). После обнаружения одного или нескольких устройств 120 приема энергии зарядное устройство 110 начинает обмен информацией с каждым из них.
Информационная посылка включает в себя: идентификационный код, с помощью которого проверяется совместимость устройств 110 и 120; уровень мощности, требуемый для каждого устройства приема энергии, и характеристики требуемых режимов передачи энергии для каждого устройства.
В другом упрощенном варианте реализации нет необходимости в передаче информации между одним или более устройствами 120 приема энергии и зарядным устройством 110. В некоторых вариантах реализации зарядное устройство 110 определяет присутствие устройств 120 приема энергии путем обнаружения изменений в состоянии цепи 310 электропитания (см. Фиг.2, 3) некоторых передающих катушек 211-214, когда устройства 120 приема энергии находятся в одной из активных зон 220. В других вариантах реализации присутствие устройств 120 приема энергии определяется с помощью ряда датчиков, таких как емкостные, магнитные, оптические или другие датчики, которые способны определить наличие устройств в активных зонах 220.
После обнаружения устройства 120 приема энергии зарядное устройство 110 активирует соответствующую передающую катушку 211, 212, 213 или 214 для перераспределения магнитного поля и реализации беспроводной передачи энергии через соответствующие активные зоны 220 (см. Фиг.2, 3) в соответствующую приемную катушку 321 или 322 и, следовательно, в схему 331 или 332 заряда. Распределение магнитного потока определяется расположением передающих катушек 211-214 в решетке 210, плотностью тока и направлением тока в каждой катушке.
Блоки 314 согласования передатчика обеспечивают согласование импеданса выхода радиочастотного генератора 312 мощности с каждой передающей катушкой. Плотности токов в каждой катушке определяются импедансом соответствующих блоков 314 согласования передатчика и состояниями переключателей 313.
В соответствии с одним из вариантов реализации выполняются два режима возбуждения для каждой передающей катушки 211, 212, 213 или 214. В качестве примера далее рассматривается передающая катушка 211, однако приведенные ниже данные справедливы для любой из передающих катушек.
При активном режиме возбуждения энергия источника 311 электропитания непосредственно подается в передающую катушку 211, она генерирует энергию магнитного поля в окружающем пространстве, что вызывает токи в соседних передающих катушках 212. Как показано на Фиг.3, замкнутый переключатель 313 соединяет цепь 310 электропитания с катушкой 211. Этот режим используется для высокоэффективной передачи максимальной мощности в устройство 121 приема энергии, расположенное в непосредственной близости от передающей катушки 211.
При пассивном режиме возбуждения передающая катушка 211 отключена от источника 311 электропитания. Разомкнутый переключатель 313 изолирует передающую катушку 211 от цепи 310 электропитания. Передающая катушка 211 выступает в качестве эффективного ретранслятора для передачи энергии от одной передающей катушки, например, 212 или 213, к другой, например, 211, для получения необходимого распределения плотности магнитного потока. Этот режим должен быть использован для высокоэффективной передачи низкой мощности в устройство 120 приема энергии, расположенное в непосредственной близости от передающей катушки 211 и реализующее низкое энергопотребление.
Использование решетки передающих катушек 210 (см. Фиг.2) с активным и пассивным режимами возбуждения позволяет одновременно и эффективно заряжать различные типы устройств 120 приема энергии в зарядном устройстве 110 (см. Фиг.1). Например, в то время как одно устройство 121 приема энергии заряжается в одной активной зоне 221, другое устройство 122 приема энергии заряжается в другой активной зоне 222, расположенной рядом с другой передающей катушкой 212.
На Фиг.4 и 5 показаны примеры различных настроек для блоков 314 согласования передатчика (см. Фиг.3) и соответствующих распределений плотности магнитного поля для структуры из четырех передающих катушек 210. На Фиг.4 показан пример распределения плотности магнитного поля для структуры из одной активной передающей катушки 211 и трех пассивных передающих катушек 212-214, настроенных для фокусировки магнитного поля в двух активных зонах 221 и 222. На Фиг.5 показан другой пример распределения плотности магнитного поля для той же структуры из одной активной передающей катушки 211 и трех пассивных передающих катушек 212-214, с настройкой на распределение магнитного поля равномерно во всех активных зонах 221-223.
Как показано на Фиг.4 и 5, перераспределение активных зон 221-223 реализуется с помощью активного или пассивного режима возбуждения решетки передающих катушек 210 и/или с помощью настройки нагрузочных импедансов блоков 314 согласования передатчика (см. Фиг.3). Различные настройки блоков 314 согласования передатчика вызывают синфазные или сдвинутые по фазе на 180° токи в пассивных передающих катушках 211. На Фиг.6 представлена зависимость величины тока в передающей катушке 211 в пассивном режиме возбуждения от нагрузочного импеданса соответствующего блока 314 согласования передатчика (см. Фиг.3).
На Фиг.7 представлен внешний вид решетки передающих катушек с устройствами 121, 122 приема энергии в различных позициях и ориентациях в соответствии с вариантом реализации изобретения. В этом примере устройство 121 приема энергии повернуто вверх таким образом, что его приемная катушка 321 находится в непосредственной близости от передающей катушки 212. В то же время устройство 122 приема энергии повернуто вниз таким образом, что его приемная катушка 322 находится в непосредственной близости от передающей катушки 213. В этом случае режимы возбуждения и настройки нагрузочного импеданса для блоков 314 согласования передатчика (см. Фиг.3) настроены для включения активных зон 221 и 223 (см. Фиг.2). Это реализовано путем переключения обеих передающих катушек 212 и 213 в активный режим возбуждения или путем переключения только одной из них в зависимости от энергопотребления устройств 121, 122 приема энергии. Если устройства 121, 122 приема энергии размещены или ориентированы по-другому, то другие соответствующие передающие катушки должны быть активированы.
Фиг.8.1, 8.2 иллюстрируют конструкцию экранирующей структуры 111, ослабляющую электромагнитное поле за пределами зарядного устройства 110. В соответствии с вариантом реализации зарядное устройство 110 содержит экранирующие поверхности 112, 113, ограничивающие конструкцию зарядного устройства с одной или нескольких сторон для обеспечения электромагнитной изоляции. Экранирующая структура 111 формируется из экранирующих поверхностей 112, 113, предназначенных для подавления паразитного излучения от решетки передающих катушек 210 и от приемных катушек 321 (см. Фиг.3). В этом случае электромагнитное поле заключено внутри экранирующей структуры 111 и сконцентрировано в активных зонах 221. Экранирующая поверхность 112 выполнена из тонких пленок феррита, искусственных магнитопроводящих материалов или их комбинации.
В соответствии с Фиг.8.1 экранирующие поверхности 112, 113 окружают решетку передающих катушек 210 для защиты окружающего электронного оборудования от электромагнитных помех и подавления паразитного излучения от зарядного устройства 110. В варианте реализации, представленном на Фиг.8.1, экранирующая структура 111 сформирована из горизонтальных поверхностей 112 из феррита и вертикальных поверхностей 113 из металла. Как видно из Фиг.8.2, магнитное поле ослабляется за пределами экранирующей структуры 111.
В некоторых вариантах реализации экранирующая структура 111 покрывает дно, заднюю, левую и правую стороны зарядного устройства 110, обеспечивая простой и эргономичный доступ к устройствам 120 приема энергии, заряжаемым в зарядном устройстве 110 (см. Фиг.1).
В одном из вариантов реализации верхняя и передняя стороны экранирующей структуры 111 реализованы как съемные. В другом варианте часть экранирующей структуры 111 выполнена в виде скользящей выдвижной крышки для обеспечения простого и эргономичного доступа к устройствам 120 приема энергии, заряжаемым в зарядном устройстве 110 (см. Фиг.1). Предлагаемая структура для зарядного устройства 110 обеспечивает эффективное решение проблемы электромагнитной совместимости и обеспечивает защиту человека от воздействия излучения. Кроме того, она защищает устройства 120 приема энергии (см. Фиг.1) от пыли, брызг воды и других воздействий окружающей среды.
Фиг.9 иллюстрирует расположение пассивных ретранслирующих антенн 130 в зарядном устройстве 110. Антенны 821, встроенные в устройства 120 приема энергии, в сочетании с одной или несколькими пассивными ретранслирующими антеннами 130, излучают и принимают сигналы беспроводных сетей из свободного пространства за пределами зарядного устройства 110. Каждая пассивная ретранслирующая антенна 130 работает на частотах, соответствующих частотным диапазонам стандартов беспроводных сетей, в том числе GSM, CDMA/WCDMA, GPRS, 3G, WiMAX, 4G/LTE, WiFi и любых других беспроводных стандартов связи.
В соответствии с одним из вариантов реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 не требуют внешнего источника электропитания для согласующего элемента 822 встроенной антенны 821.
В некоторых вариантах реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 равномерно окружают периметр каждой активной зоны 220 (см. Фиг.2) с каждой стороны. Таким образом, достигается эффективный прием сигналов беспроводных сетей для любой позиции и ориентации устройства приема энергии.
В некоторых вариантах реализации распределение пассивных ретранслирующих антенн 130 оптимизировано для обеспечения требований специфической конструкции.
В некоторых вариантах реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 непосредственно соединены со встроенными антеннами 821 устройств 120 приема энергии (Фиг.9.1).
Другие варианты реализации используют широкополосные согласующие элементы 822 и линии 823 электропитания (Фиг.9.2). Согласующие элементы 822 расположены в непосредственной близости от встроенных антенн 821 устройств 120 приема энергии и связаны с ними через емкостную или индуктивную связь. Согласующие элементы 822 подключены к пассивным ретранслирующим антеннам 130 через линии 823 электропитания. Согласующие элементы 822 поддерживают широкий диапазон рабочих частот для обеспечения ретрансляции сигналов всех стандартов связи.
В некоторых вариантах реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 выполнены в виде симметричного или несимметричного вибратора в любом исполнении и конфигурации, в том числе с использованием различных экранирующих, отражающих, направляющих и импедансных поверхностей.
В некоторых вариантах реализации пассивные ретранслирующие антенны 130 выполнены в виде магнитных дипольных антенн, например, токовых катушек, щелей в проводящих поверхностях в любом исполнении, конфигурации и сочетании, в том числе с использованием различных экранирующих, отражающих, направляющих и импедансных поверхностей.
В некоторых вариантах реализации зарядное устройство 110 обеспечивает увеличение числа активных зон 220 (см. Фиг.2), а также другие функции. Например, базовая версия зарядного устройства 110 обеспечивает зарядку одного устройства 120 приема энергии. Однако зарядка нескольких устройств 120 приема энергии одновременно реализуется путем наложения одного модуля на другой. Каждый модуль должен поддерживать одну или более активных зон, формируемых соответствующими компонентами, включая решетку передающих катушек 210 (см. Фиг.2) с блоком 310 цепи электропитания (см. Фиг.3), экранирующей структурой 111 (см. Фиг.8.1) и пассивными ретранслирующими антеннами 130.
В некоторых вариантах реализации зарядное устройство 110 выполнено с возможностью расширения для зарядки различных устройств 120 приема энергии с малым или высоким энергопотреблением путем стыковки модулей различных типов. Некоторые модули оптимизированы специально для устройств либо с низким, либо с высоким энергопотреблением за счет конфигурации решетки передающих катушек 210 (см. Фиг.2).
В соответствии с одним из вариантов реализации зарядное устройство 110 включает в себя различные дополнительные функции, некоторые из которых перечислены ниже. В соответствии с Фиг.1 источник 140 ультрафиолетового излучения встроен в зарядное устройство 110 для дезинфекции устройств 120 приема энергии. Гигиеническая дезинфекция основана на уничтожении микроорганизмов, способных возбудить инфекционные заболевания, с помощью ультрафиолетового излучения, направленного на устройства 120 приема энергии. Кроме того, в зарядное устройство 110 встроены средства контроля влажности воздуха для защиты устройств 120 приема энергии от высокой влажности.
В некоторых вариантах реализации в зарядном устройстве 110 предусмотрена звуковая и/или визуальная индикация для информирования пользователя о статусе устройств 120 приема энергии, времени и состоянии процесса зарядки аккумулятора, входящих звонках и сообщениях или о другой информации. Индикация информации от устройств 120 приема энергии реализовано в зарядном устройстве 110 звуковым и/или визуальным способом.
В качестве характерных особенностей изобретения можно отметить следующее:
- компактная структура для одновременной зарядки нескольких устройств приема энергии;
- равномерность эффективности передачи энергии для широкого диапазона расстояний между передатчиком и устройствами приема энергии;
- равномерность эффективности передачи энергии для различных позиций и ориентации устройств приема энергии;
- крайне низкий уровень паразитного электромагнитного излучения резонаторов.
Заявляемое изобретение имеет следующие преимущества по сравнению с известными аналогами:
- высокая эффективность беспроводной передачи энергии для различных позиций и ориентации устройств приема энергии. Решетка передающих катушек управляет распределением энергии в объеме зарядного устройства таким образом, что для каждого устройства приема энергии режим зарядки оптимален;
- компактное решение для хранения мобильных телефонов, аудио- или видеоплееров и электронных книг и подобных устройств в одном месте дома или в офисе;
- компактный, эргономичный дизайн. Скользящая выдвижная верхняя крышка изготовлена из прозрачного пластика, что позволяет пользователю видеть состояние заряжаемого устройства;
- изоляция окружающего пространства от магнитного поля, создаваемого при беспроводной передаче энергии. Экранирующая структура зарядного устройства обеспечивает эффективное ослабление паразитного электромагнитного излучения. Таким образом, обеспечивается защита человека от воздействия излучения при беспроводной передаче энергии;
- оптимизированная конструкция корпуса обеспечивает экранирование излучения при беспроводной передаче энергии и в то же время обеспечивает прозрачность для беспроводной связи. Зарядное устройство не оказывает влияния на чувствительность сотовых телефонов для всех сетей беспроводной связи, таких как GSM, CDMA, WiMAX, GPRS, Bluetooth, WiFi, GPS, 3G, 4G и так далее;
- имеются дополнительные опциональные возможности зарядного устройства. Источник ультрафиолетового излучения для дезинфекции заряжаемого устройства встраивают в зарядное устройство для гигиенической дезинфекции путем уничтожения микроорганизмов на поверхности мобильного устройства. Кроме того, встраиваются средства контроля влажности воздуха для защиты мобильных устройств, требующих низкой влажности.
Заявляемое зарядное устройство предназначено для одновременной зарядки двух или более электронных устройств, в том числе сотовых телефонов, смартфонов, наушников, аудио- или видеоплееров, планшетных компьютеров, электронных книг или любых других носимых электронных устройств, способных потреблять энергию или заряжаться беспроводным способом.
Следует указать, что раскрытие настоящего изобретения, выполненное в иллюстративной форме, не должно толковаться как ограничение области применения. Основные притязания изложены в формуле изобретения.