БЕСПРОВОДНАЯ ЗАРЯДНАЯ СИСТЕМА
WIRELESS CHARGING SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки мобильных робототехнических комплексов и платформ.
Известны устройства «Wireless energy transfer converters)) (патент WO 2011112795 A1) и «Method and Systems for wireless power transmission)) (патент US 2011241618 A1), работающие за счет резонанса в магнитном поле со слабым излучением электромагнитных волн, позволяющее 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.
Известна система беспроводной зарядки (патент РФ №2623095), содержащая блок беспроводной передачи энергии и блок беспроводного приема энергии. Блок беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, передающую катушку индуктивности, экранирующий элемент и первую цепь согласования импедансов. Передающая катушка индуктивности соединяется с источником энергии посредством первой цепи согласования импедансов. В случае подачи питания посредством источника энергии передающая катушка индуктивности способна испускать электромагнитное излучение. Первая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования импедансов между передающей катушкой индуктивности и источником энергии. Экранирующий элемент располагается под передающей катушкой индуктивности и конфигурируется таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки. Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. Приемная катушка индуктивности выполнена с возможностью индуктивной связи с передающей катушкой индуктивности, благодаря чему электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Нагрузка соединяется с приемной катушкой индуктивности через вторую цепь согласования импедансов. Нагрузка выполнена с возможностью зарядки посредством зарядных токов. Вторая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов между приемной катушкой индуктивности и нагрузкой. Первая и вторая схемы согласования также выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, чтобы максимально повысить эффективность передачи энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии (патент РФ №2510558), содержащая зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Зарядная станция состоит из излучателя, генератора с фазовой автоподстройкой частоты, силового ключа, усилителя, источника питания. 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.
Одним из основных недостатков существующих аналогов в предметной области является их низкая эффективность передачи энергии, определяемая максимальной мощностью и КПД передачи.
Для определения обобщенного показателя эффективности передачи энергии по указанным частным показателям можно воспользоваться сверткой методом идеальной точки [Петухов, Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов: учебник. 4.1. Методология, методы, модели / Г.Б. Петухов. - Министерство обороны СССР. - 1989. - 656 с.]:
где  - нормированное (оцененное или идеальное) значение частного показателя эффективности;  - масштабный коэффициент;  - коэффициент сдвига, корректирующий начало отсчета;  - оцененное, нормированное идеальное, минимальное и максимальное значение частного показателя эффективности, в качестве которых в настоящем изобретении рассматриваются максимальная мощность передачи (n=1) и КПД передачи энергии (n=2). Стремление значений частных показателей эффективности к своим идеальным (требуемым, заданным) значений приводит к уменьшению обобщенного показателя эффективности.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии.
Данная техническая проблема решается тем, что в беспроводную зарядную систему, содержащую зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи, зарядная станция состоит из излучателя и источника питания, катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, 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, и аккумулятора, дополнительно в зарядную станцию введены модуль контроля, защиты и управления, резонансный автогенератор. При этом к первому входу модуля контроля защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, зашиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен со входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем. Дополнительно в приемник потребителя электрической энергии введены неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения. При этом колебательный контур, неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения и аккумулятор соединены последовательно.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - структурная схема беспроводной зарядной;
фиг. 2 - схема резонансного автогенератора на силовых ключах;
фиг. 3 - зависимости КПД беспроводной зарядной системы от передаваемой мощности для различных расстояний между зарядной станцией и приемником потребителя электрической энергии;
фиг. 4 - схема модуля контроля, защиты и управления.
Беспроводная зарядная система, показанная на фиг. 1, содержит зарядную станцию 100, состоящую из источника питания 101, модуля контроля, защиты и управления 102, резонансного автогенератора 103 и излучателя 104, и приемник потребителя электрической энергии 105, устанавливаемый на мобильной робототехнической платформе и состоящий из колебательного контура 106, неуправляемого выпрямителя 107, модуля плавного подключения нагрузки 108, регулируемого преобразователя напряжения 109 и аккумулятора 110.
Источник питания 101 подключен к первому входу модуля контроля, защиты и управления 102. Выход модуля контроля, защиты и управления 102 соединен со входом резонансного автогенератора 103, первый выход которого соединен с излучателем 104. Катушка излучателя 104 выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны. Излучение расходится радиально и ограниченно экранирующими стенками. Обмотки выполнены в уплощенном виде - цилиндрические, конические, спиральные. Второй выход резонансного автогенератора 103 подключен ко второму входу модуля контроля, защиты и управления 102.
Колебательный контур 106 приемника потребителя электрической энергии 105 включает в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор. Колебательный контур 106 соединен с неуправляемым выпрямителем 107. Неуправляемый выпрямитель 107 соединен с модулем плавного включения нагрузки 108. Модуль плавного включения нагрузки 108 подключен к регулируемому преобразователю напряжения 109, к выходу которого подключен аккумулятор 110.
Использование резонансного автогенератора 103, частотозадающим контуром которого является излучатель 104, позволяет поддерживать резонанс в передающем контуре при изменении индуктивности катушки излучателя без использования дополнительных систем подстройки частоты. Резонанс в передающем контуре обеспечивает передачу максимальной мощности в приемник потребителя электрической энергии 105 при заданных параметрах питания и габаритных размерах излучателя 104. Резонансный автогенератор 103 построен с использованием принципа переключения силовых ключей при нулевом уровне напряжения на их стоках (Zero Voltage Switching) (фиг. 2). Использование такого решения позволяет значительно снизить потери в зарядной станции 100.
Передающая (зарядная станция 100) и приемная (приемник потребителя электрической энергии) части беспроводной зарядной системы для мобильной робототехнической платформы имеют идентичные колебательные контуры. Это позволяет избавиться от дополнительных систем подстройки колебательного контура приемника для поддержания в нем резонанса. Так как взаимное расположение приемной и передающей части беспроводной зарядной системы в одинаковой мере влияют на индуктивность и добротность колебательных контуров приемной и передающей части, а излучатель является частотозадающим, то оба контура системы передатчик-приемник находятся в резонансе. Это позволяет добиться наилучших показателей эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии при их любом взаимном расположении (фиг. 3).
Модуль контроля, защиты и управления 102 предназначен для управления работой резонансный автогенератор 103 путем оценивания значений напряжения в его контрольных точках, принятия решений о режимах его работы, защиты от выхода контролируемых параметров за допустимые значения и может быть реализован, например, на микросхеме ATTINY85-20S (фиг. 4).
Неуправляемый выпрямитель 107 может быть реализован, например, с помощью диодного моста DO-214AB на диодах с барьером Шоттки.
Модуль плавного подключения нагрузки 108 является известным устройством, реализуется, как правило, на полевом транзисторе, в качестве него может быть использован, например, модуль RP273M.
Регулируемый преобразователь напряжения 109 предназначен для понижения/повышения постоянного напряжения, является известным устройством, в качестве которого может быть использован модуль XL6009.
Опытный образец беспроводной зарядной системы прошел предварительную отладку и тестирование и подготовлен для установки на мобильную робототехническую платформу. Максимальная передаваемая мощность силовой части изготовленного образца более 150 Вт.Конструкция имеет потенциал для передачи мощностей до  Частота работы системы - до 50 кГц (зависит от расстояния между приемной частью и передающей).
Для оценивания степени достижения заявленного технического результата произведен расчет обобщенного показателя эффективности согласно выражению (1), результаты которого представлены в таблице.
Уменьшение обобщенного показателя эффективности в предлагаемом техническом решении  по сравнению с прототипом  наглядно свидетельствует о повышении эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной беспроводной зарядной системы, отсутствуют, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности "Новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленной изобретение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".