БЕСПРОВОДНАЯ ЗАРЯДНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАЛОМОЩНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR LOW-POWER CONSUMERS OF ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки различных устройств. Изобретение может быть использовано для беспроводной зарядки маломощных электроприборов: телефонов, фотоаппаратов, камер, игрушек, сувениров в квартире, офисе, общественном здании.
Из уровня техники известна беспроводная зарядная система (патент RU 2306654 C1, H02J 17/00; Н04В 1/38, дата публикации 20.09.2007 г.), содержащая узкополосный частотный генератор с излучающей антенной. Данная система генерирует в постоянном режиме высокочастотный сигнал, который поступает на антенну и передается посредством колебаний электромагнитного поля в пространство. Амплитуда колебаний падает пропорционально квадрату расстояния. По этой причине известные уже много лет схемы не нашли широкого применения, так как подаваемая в постоянном режиме энергия с генератора на 99% тратится впустую. Система на стороне приема содержит антенну, инвертор напряжения, контроллер заряда/разряда. Недостатком данного решения является неэффективность передачи энергии за счет неэффективного режима приема колебаний без явлений резонанса.
Из уровня техники известно устройство беспроводной передачи электрической энергии (см. патент РФ №2411142, B60L 9/00, дата публикации 10.08.2010 г.), которое предусматривает подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь на резонансной частоте, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя. Недостаток данного устройства заключается в наличии необходимости однопроводной линии к каждому потребителю.
Из уровня техники известны устройство и способ беспроводной передачи энергии и/или данных между устройством-источником и по меньшей мере одним целевым устройством (см. патент RU 2419945, H02J 17/00; H01F 38/14, дата публикации 27.05.2011 г.). Беспроводная передача энергии и/или данных осуществляется с помощью по меньшей мере одной расположенной на стороне устройства-источника первичной катушки по меньшей мере одной первичной цепи тока в по меньшей мере одной расположенной на стороне целевого устройства вторичной катушке по меньшей мере одной вторичной цепи тока, и в по меньшей мере одной катушке по меньшей мере одного резонансного контура наводится напряжение. Резонансный контур расположен электрически изолированным от первичной цепи тока и вторичной цепи тока. Недостатком беспроводного зарядного устройства является низкая эффективность, так как генератор на стороне источника регулярно подает энергию в колебательную систему. При этом первичная катушка, вторичная катушка и образующая катушку индуктивности резонансного контура катушка расположены вокруг магнитного сердечника, образующего магнитный контур. Недостатком известной установки является также уменьшение радиуса действия (возможности электропитания) и уменьшение количества потребителей.
Из патента РФ №2408476 (B60L 9/08, дата публикации 10.01.2011 г.) известно изобретение, направленное на создание беспроводного способа питания электротранспортных средств и устройства для его осуществления, обеспечивающего высокую мощность и скорость перемещения электротранспортного средства при многополосном (многорядном) движении. Устройство предусматривает подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя. Недостатком данного решения является необходимость однопроводниковой линии к каждому потребителю.
Из уровня техники известно изобретение «Способ и устройство для передачи электрической энергии» (RU 2341860, дата публикации 20.12.2008 г.), согласно которому способ передачи электрической энергии включает генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии. Проводящий канал формирует с помощью микроволнового излучения на частоте много больше резонансной частоты. Недостатком данного решения является необходимость формирования проводящего канала к каждому потребителю с помощью источника микроволнового излучения.
Основной проблемой рассмотренных выше систем питания является то, что генератор, работающий в постоянном режиме на антенну, колебательный контур, все время отдает энергию в электрическую цепь. В антенне, колебательном контуре происходит ее преобразование в электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве. Амплитуда колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния от источника. Следовательно, очень малая часть энергии генератора доходит до потребителя и используется. Поэтому в ряде патентов обязательно предлагают формировать как минимум однопроводниковый канал для передачи энергии.
Известна группа устройств «Wireless energy transfer converters» WO 2011112795A1 и «Method and Systems for wireless power transmission» US 2011241618A1, работающих за счет резонанса в магнитном поле со слабым излучением электромагнитных волн. Данное решение позволяет передавать до 60% изначальной энергии с минимальным рассеиванием. Устройство содержит зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Недостатком данной системы является возможность достижения высокого КПД только при совмещении осей передающей и приемной катушек. По совокупности существенных признаков данное решение принято за прототип.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности системы за счет зарядки маломощных устройств без непосредственного контакта со станцией зарядки на расстоянии более 10 см со слабой зависимостью от взаимной ориентации зарядной станции и приемника. Предлагаемая система позволяет увеличить радиус работы до 30-50 см с отсутствием постоянного направления зарядки и с КПД передачи до 55%.
Указанный технический результат достигается тем, что в беспроводной зарядной системе для маломощных потребителей электрической энергии, содержащей зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи, катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор, через управляемый выпрямитель последовательно соединенный с накопительным конденсатором, с широтно-импульсным модулятором и контроллером, который соединен с генератором импульсов и аккумулятором.
Длина первичной обмотки катушки излучателя может быть равна λ/4, а вторичной обмотки - λ.
Зарядная станция может быть выполнена с усилителем, принимающим сигнал, приходящий на антенну зарядной станции от антенны приемника.
Для работы зарядной системы используется диапазон излучения от 100 кГц до 40 МГц.
Управляемый выпрямитель может быть выполнен в виде ВЧ-динистора с заданным пороговым напряжением.
Для оказания стимулирующего воздействия на человеческий организм и предотвращения негативного воздействия резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 10 до 30 Гц, а для оказания бактерицидного воздействия на пищу и напитки, находящиеся на столе резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 0 до 10 Гц.
При использовании двух и более потребителей мощность потребления и энергия, необходимая для зарядки каждого потребителя, передаются в виде кодовых сигналов.
Зарядная станция может быть выполнена с двумя излучателями, включенными противофазно и создающими встречные магнитные поля, и с тремя и более катушками со смещением по фазе подаваемого сигнала, расположенными центрами в вершинах правильного многоугольника.
Первичная обмотка катушек может быть выполнена из многожильного провода с диаметром жилы менее 0.5 мм с общим сечением более 2 кв. мм,
Передающая и приемные катушки могут быть намотаны на ферромагнитный сердечник с минимальной петлей гистерезиса, работающий в диапазоне 500 кГц-100 МГц.
Для взаимной ориентации излучателя и приемника излучатель выполнен подвижным с автоматическим направлением на приемник.
Приемная антенна, конденсаторы, схема управления, выпрямители выполнены с толщиной менее 3 мм и собраны в виде плоской наклейки, прикрепляющейся на аккумулятор мобильного устройства и к контактам аккумулятора.
Излучатель может быть выполнен в форме настольной лампы, при этом свет от лампы очерчивает с точностью 7-10 см зону зарядки, или с плоской антенной и плоскими электронными компонентами.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показана блок-схема системы зарядки в общем виде;
на фиг.2 - импульсы по вершинам полуволн, амплитудная модуляция по импульсам, рост колебаний при накачке;
фиг.3 - встречное включение катушек, где а-б - направления распространения поля;
фиг.4 - система со смещаемой осью из нескольких катушек,
диаграмма направленности;
фиг.5 - катушка со смещением фазы;
фиг.6 - схема генератора с непосредственной обратной связью по базе транзистора и рекуперационной защитой;
фиг.7 - схема генератора с ФАПЧ на микросхеме CD4046.
Зарядная станция состоит из излучателя 1, генератора 2 с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), силового ключа 3, усилителя 4, источника питания 5. Источник питания 5 подает необходимое напряжение на усилитель 4, генератор 2 с ФАПЧ, силовой ключ 3. Генератор 2 подает сигнал на ключ 3, подающий колебания, резонансные с собственными колебаниями катушки излучателя 1.
Приемная сторона представляет собой четвертьволновую антенну 6, свернутую в спираль, параллельно с которой подсоединен конденсатор с изменяющейся емкостью 7. Конденсатор и четвертьволновая антенна представляют собой колебательный контур.
Использование энергии контура происходит в такт с колебаниями. Управляемый выпрямитель 8 открывается с частотами в 4, 8, 16 раз меньше, чем частота в контуре, после этого энергия попадает на широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 9 через накопительный конденсатор 10. С ШИМ 9 энергия поступает на контроллер заряда 11. Приемник содержит генератор 12 сигналов, подающий сигнал через систему 13 переключения. Заряд с контроллера заряда 11 поступает на аккумулятор 14.
ШИМ 9 использует частоту между импульсами от 1 до 10 кГц. В качестве управляемого выпрямителя используются биполярные или полевые транзисторы последовательно с ограничительным диодом. При резонансе напряжений в качестве управляемого выпрямителя используется динистор с определенным пороговым напряжением, открываемого на максимуме резонанса. При резонансе токов используется дополнительная обмотка, в которой возникают максимумы, управляющие тиристором или транзистором.
Катушка излучателя 1 в простейшем виде представляет собой резонатор со стоячей волной в виде резонансного трансформатора Теслы усложненной конструкции, состоит из первичной обмотки 15, вторичной обмотки 16, обмотки обратной связи 17, ко вторичной обмотке может быть подсоединена обмотка согласования 18, вторичная обмотка снабжена уединенной емкостью 19. Излучение расходится радиально и ограниченно экранирующими стенками. Обмотки выполнены в уплощенном виде - цилиндрические, конические, спиральные.
Первичная обмотка (индуктор) выполнена из многожильного провода диаметром жилы менее 0.5 мм с общим сечением более 2 кв. мм, так чтобы в режиме резонанса токов обмотка смогла пропускать через себя токи в 10-30 А, при этом индукция внешнего поля может доходить до 1.5 Т.
Импульс на первичной обмотке 15 порождает импульс на вторичной обмотке 16, который распространяется по проводу, достигает конца обмотки и отражается, возвращается к началу обмотки. При выполнении вторичной обмотки 16 длиной в 4, 2 раза меньше длины волны используемого сигнала обратный сигнал возвращается в то же время (синфазно), что и поступающий импульс из первичной обмотки, что приводит к сложению волн и формирует постоянное переизлучение образующейся стоячей волны между обмотками и формированию более мощного поля. При этом излучаемая мощность концентрируется внутри катушки.
Вторичная и первичная обмотки составляют кратное от λ/4 (λ/4, λ/2, 3λ/4, λ, 5λ/4, 3λ/2, 2λ), где λ - используемая длина волны. Наилучший результат при длине вторичной обмотки λ, первичной - λ/4.
Согласующая обмотка 17 соединяется для регулировки длины и достижения условия резонанса. Катушка излучателя передает в пространство импульсы магнитного поля, в промежутках между импульсами работает в режиме приема. В режиме передачи сигнал с обмотки обратной связи 17 подается на генератор 2 с ФАПЧ, в режиме приема - на усилитель 4.
Генератор 2 подает импульсы на первичную обмотку по вершинам полуволн синусоидальных колебаний с регулируемой шириной импульса и заполнением от 5 до 35% (фиг.2) и с возможной модуляцией. Регулировкой ширины импульсов осуществляется изменение передаваемой мощности. Генератор 2 работает в режиме фазовой автоподстройки частоты, т.е. подстраивает свою частоту при изменении температуры, влажности и т.д.
Система излучателя и приемника работает в режиме ожидания и в режиме зарядки (фиг.1). В режиме ожидания генератор 2 через систему ключей 3 устройства подает редкие импульсы со скважностью порядка 1000-5000 в виде серии высокочастотных импульсов с частотой от 100 кГц до 5 МГц по 15-30 импульсов в серии раз в 0.5-2 секунды, что приводит к потребляемой мощности от питания сети 5 менее 1 Вт. Во время промежутков между импульсами излучатель переключается в режим принимающей антенны, при этом сигнал принимается на усилитель-приемник. При внесении в зону работы зарядной системы мобильного устройства (6-14) с приемником излучение попадает на спиральную антенну 6 приемника, которая вырабатывает слабый ток, питая генератор 12 сигналов, который подает сигнал через систему переключения 13 на туже приемную антенну 6, которая излучает сигнал, воспринимаемый антенной излучателя 1 и усилителем 4 зарядной станции, и приводит к уменьшению скважности до 4-10, которая приводит к зарядке аккумулятора мобильного устройства. Усилитель 4 излучателя настроен на частоту, в два раза большую, чем излучаемая данным устройством. Серия импульсов заряжает конденсатор, который питает генератор 12 сигналов, приемная антенна 6 переключается в режим излучателя. Сигнал подается по частоте в 2 раза выше основного. Сигнал, принимаемый зарядной станцией, приводит к снижению скважности и увеличению мощности излучения, достаточной для зарядки мобильного устройства. По окончании зарядки приемная часть излучает сигнал, который вызывает снижение мощности излучения зарядной системы.
При использовании двух и более потребителей при полной зарядке одного мобильного устройства снижается ширина импульсов по вершинам полуволн. При этом мощность потребления и энергия, необходимая для зарядки каждого потребителя, передаются в виде кодовых сигналов. В устройстве-источнике рассчитывается суммарная мощность и мощность, необходимая для излучения.
В изолированном колебательном контуре, выполненном в виде катушки индуктивности и емкости, начинается колебание на собственной частоте резонанса. Время протекания колебаний в колебательном контуре до падения амплитуды колебаний превышает время подачи импульса от источника в 2-10 раз. Амплитуда излучаемых электромагнитных волн также убывает пропорционально квадрату расстояния, но источник 90% времени работы не посылает собственную энергию в контур. Основную часть времени зарядка электрической энергией на стороне приема осуществляется за счет собственных колебаний контура с большой индуктивностью на стороне генератора.
Модуляция производится в диапазоне 10-30 Гц для нейтрализации угнетающего воздействия электромагнитных волн. При этом вносятся небольшие девиации и смена частот с периодичностью в 10-20 секунд. Возможно также модулировать частотами и для оказания стимулирующего воздействия на некоторые системы организма.
В более сложном варианте используются две катушки Тесла, включенные синфазно и создающие встречное поле (фиг.3). Благодаря этому излучение концентрируется в плоскости определенной ширины, например в плоскости стола. Излучение за пределами плоскости убывает нелинейно, так что на расстоянии более 30 см излучение стремится к нулю. Ширина плоскости регулируется прецизионными отклонениями по фазе от 180 градусов подаваемых сигналов. Катушки при этом выполнены спиральными и плоскими.
Несколько катушек позволяют формировать смещаемую зону зарядки, перестраиваемую при изменении положения приемника на мобильном устройстве (фиг.4).
При использовании трех и более катушек со смещением фазы возможно формирование зоны интерференции с равномерной амплитудой сигнала в определенном радиусе и быстрым дальнейшим затуханием за счет вычитания волн. Три и более катушки со смещением по фазе подаваемого сигнала расположены центрами в вершинах правильного многоугольника. При формировании тороидальной зоны зарядки угол фазы сигналов на катушках определяется α=360/N, где N - количество катушек и вершин многоугольника. Это позволяет ограничивать зону зарядки и обеспечивать стабильность параметров заряда в ней. Для формирования выделенной зоны зарядки смещение по фазе распределяется α=360/N+β, где β=360/2N+k, k<=β. k~β для тех катушек, которые находятся по направлению к выделенной зоне зарядки, k>=0 для катушек на противоположной стороне от зоны зарядки.
Смещение фазы формируется цифровым способом с использованием типовой схемы. Также возможно использования ВЧ трехфазных драйверов. На фиг.5 изображены варианты изготовления катушек со смещением фазы, выполненных тороидальными на одном намоточном корпусе.
Несколько катушек используются также в качестве принимающих антенн для определения местоположения мобильных устройств. При этом несколько катушек отправляют тестовый сигнал раз в 0.5-2 секунды. При внесении в зону работы зарядной станции мобильного устройства с приемником, как и в случае с одной катушкой, антенны излучателя принимают сигнал от приемной части. Те катушки, на которых сигнал будет максимальным, указывают направление на мобильное устройство.
При использовании двух, трех и более катушек с контролируемым смещением фазы появляется возможность формировать один и более лучей излучения определенной ширины. При подстройке смещения фазы катушек согласно сигналу приемной системы возможно формирование луча по направлению мобильного устройства.
Передающую и приемные катушки также возможно намотать на ферромагнитный сердечник, работающий в диапазоне 500 кГц-100 МГц используя нанопермаллои, СВЧ-ферриты и пр. При этом сердечник выбирается из материалов с минимальной петлей гистерезиса.
Система беспроводного зарядного устройства работает не в режиме постоянной генерации. При этом обеспечивается высокий уровень выходного сигнала за счет собственных колебаний индуктивной системы на стороне генератора.
Силовая часть может работать с непосредственной обратной связью (ОС) либо с ОС генератора.
При непосредственной ОС (фиг.6) при подаче на транзистор Q1 напряжения, меньшего, чем нужно для полного открытия, он работает как ключ с большим сопротивлением (порядка десятков кОм), подавая ток на Т2, в результате чего обратная волна (Back EMF) с обмотки Т2 закрывает транзистор Q1. После этого обратная волна опять открывает транзистор. Таким образом, создается циклический режим.
При этом частота рассчитывается как:
<mrow><munder><mrow><mi>ƒ</mi><mn>21</mn></mrow><mrow><mo>∧</mo><mo>∧</mo><mo>∧</mo><mo>∧</mo></mrow></munder><mo>:</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mrow><mi>L</mi><mn>22</mn><mo>⋅</mo><mn>4</mn></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                       (1)</mtext></mrow>
где L22 - длина провода высоковольтной обмотки L2.
мин
макс
мин
макс
мин
макс
Это будет максимум спектра для частоты первого основного резонанса (четверть волны) на базе катушки U и в точке Н (вверху) U. Для следующей моды (частоты) на базе катушки U и U появляется на 1/3 Н, потом следующий U на 2/3 Н и, наконец, U на самом верху (высота катушки 3/4 длины волны). Все происходит как для ряда Фурье:
<mrow><mi>ƒ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>∞</mi></msubsup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mi>cos</mi><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mi>n</mi></msub><mi>sin</mi><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext>                                (2)</mtext></mrow>
макс
4
1
На следующем резонансном режиме узлы (минимумы) напряжения на базе 2/5 Н и 4/5 Н и соответственно U появляются на 1/5 Н, 3/5 Н и на самом верху (высота является 5/4 длины волны). Чтобы четко увидеть узлы, надо быть на резонансных частотах (импеданс циклически изменяется по кругу диаграммы Смита и напряжение изменяется соответственно). Моды (частоты) будут нумероваться по количеству укладывающихся / волн на высоту:
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>H</mi><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mi>G</mi></msub><mo>.</mo><mtext>                                            (3)</mtext></mrow>
макс
макс
мин
Плоская спираль - случай резонатора с дисперсией частоты - скорость не является линейной функцией частоты и, следовательно, обертоны резонатора не являются целыми кратными фундаментальной. Для следующей гармоники узлы (минимумы) напряжения приходятся на базу 2/7 Н, 4/7 Н и 6/7 Н. А максимумы U появляются на 1/7 Н, 3/7 Н, 5/7 Н и на верху. Для всех нечетных резонансных обертонов всегда на верху U и U на базе.
При этом для достижения наилучших условий стоячих волн, длина провода в L2 должна быть кратна четному или лучше квадратичному значению длины провода первичной катушки L1. Обычно здесь используются в 2, 4, 8 раз длиннее. Кроме того, в данной схеме используется схема «матрешки».
При этом для разных цилиндров необходимо использовать соотношения длин волн так, чтобы во всех цилиндрах была либо равная длина провода, либо меньше в 2 или 4 раза, тогда в обмотках не будет противофазных волн.
Поскольку диаметры концентрических обмоток матрешки разные, то для того, чтобы выполнялись условия равной длины, можно наматывать обмотки разной толщиной провода, соответственно наружные более толстым, внутренние - тонким.
ОС с генератора используется либо от наводимого поля, либо от отводов вторичной катушки, которая далее попадает в цепи фазовой автоподстройки частоты генератора, который корректирует частоту при изменении параметров контура или линии. Таким образом, поддерживается резонансный режим вне зависимости от внешних условий. Пример схемы генератора с ФАПЧ на микросхеме CD4046 представлен на фиг.7
Задающий генератор с ФАПЧ - PLL драйвер на микросхеме CD4046. В задающем генераторе была применена стандартная схема включения синтезатора частоты CD4046 для использования режима работы с обратной связью и микросхема IR2104, формирующая импульсы с фиксированным dead-time - паузы между управляющими импульсами длительностью 120ns, необходимой для корректной работы схем. Выводы low и high out далее идут на силовые каскады по типу полно- и полумостовой схемы на основе быстродействующих полевых или биполярных транзисторов с временем релаксации менее 300 нс.
Также в силовой части применяется рекуперационная защита, она возвращает энергию самоиндукции в питающую цепь, а не рассеивает ее, т.е. практически не ухудшает КПД преобразователя.
На фиг.4 показана схема защиты. Параллельно силовой обмотке преобразователя через диод подключается рекуперационный трансформатор. Диод подключен таким образом, чтобы через него шел ток самоиндукции. Вторичная обмотка этого трансформатора через второй диод подключается к питающей цепи.
Как только напряжение самоиндукции станет больше питающего напряжения, этот диод откроется и "излишек" тока уйдет в конденсатор питания.
Рекуперационный трансформатор должен иметь индуктивность обмоток 10…100 мкГ. Наматывается в ферритовой "чашке" из сильноточного феррита. В чашку в два провода укладываются обмотки, ориентировочно около 40..60 витков провода. Толщина провода и рабочие токи диодов выбираются исходя из их равенства рабочим токам силовой обмотки преобразователя.