Wiele najnowocześniejszych urządzeń technologicznych zasilanych bateryjnie przewiduje możliwość ładowania bez fizycznego podłączenia do źródła zasilania, lecz poprzez proste podpięcie do specjalnej stacji bazowej, która ponadto nie musi być dostarczana przez tego samego producenta urządzenia. Jeśli urządzenia różnych producentów są w stanie ze sobą współpracować, to dzieje się tak dzięki istnieniu otwartych standardów, bardzo często opracowanych przez konsorcjum różnych marek zainteresowanych rozwojem danej technologii.
Koncepcja bezprzewodowego przesyłu energii jest znana od pewnego czasu, a dokładnie od ponad 100 lat, i sięga czasów wynalezienia cewki Tesli. Kluczowym czynnikiem w bezprzewodowym przesyłaniu energii jest wydajność: aby móc efektywnie zdefiniować system, duża część energii przesyłanej przez generator musi dotrzeć do urządzenia odbiorczego. Dwa rodzaje sprzężenia indukcyjnego, które mogą być wykorzystane do bezprzewodowego przesyłu energii w polu bliskim to standardowe sprzężenie indukcyjne oraz rezonansowe sprzężenie indukcyjne.
Generalnie, standardowe sprzężenie indukcyjne jest możliwe do zastosowania przy stosunkowo niewielkiej odległości komunikacyjnej, ponieważ większość strumienia magnetycznego nie jest połączona pomiędzy cewkami, a pola magnetyczne szybko zanikają. Indukcyjne sprzężenie rezonansowe oferuje większą wydajność (do 95%) i działa nawet przy stosunkowo dużych odległościach (kilka metrów), ponieważ cewka rezonansowa znacznie zmniejsza straty energii, umożliwiając transfer energii z jednej cewki do drugiej.
Zastosowania
Bezprzewodowy transfer energii (WPT) może być wykorzystywany zarówno do bezpośredniego zasilania urządzeń, takich jak lampy LED lub telewizor, jak i do ładowania baterii, takich jak telefon komórkowy, po prostu umieszczając je na pokładzie. Komunikacja pomiędzy urządzeniami medycznymi wszczepionymi w ciało człowieka a urządzeniami zewnętrznymi jest znana od dawna. Przykładem mogą być parametry diagnostyczne przekazywane przez rozrusznik serca na zewnątrz. W tym zastosowaniu komunikację umożliwia sprzężenie indukcyjne pomiędzy małym turbiną umieszczoną w obudowie urządzenia, a większym umieszczonym na klatce piersiowej pacjenta. Wszczepiane urządzenia medyczne wymagają jednak odpowiedniego zasilania i choć zastosowanie baterii litowo-jonowych pozwala im na autonomiczną pracę, ich wymiana wymaga inwazyjnych operacji, które wiążą się ze względnym ryzykiem dla zdrowia pacjenta. Technologia WPT może zaradzić temu problemowi dzięki systemom ładowania bezprzewodowego. W ostatnich latach zastosowanie technologii WPT w dziedzinie zrównoważonej e-mobilności spotkało się z rosnącym zainteresowaniem instytucji badawczych, zwłaszcza w Azji. Obecnie pojazdy elektryczne muszą być podłączone, poprzez złącze, do gniazdka elektrycznego w celu naładowania akumulatorów. Bezprzewodowy transfer energii pozwala na wyeliminowanie takich złączy i umożliwia automatyczne ładowanie (rys. 1).
Technologia
Pole elektromagnetyczne, które promieniuje z anteny, przyjmuje charakterystykę zależną od odległości od elementu promieniującego. W szczególności możemy wyróżnić dwa obszary: obszar pola bliskiego i obszar pola dalekiego.
Przykładem, który wszyscy znamy jest transformator, który przekazuje energię z cewki pierwotnej do wtórnej bez bezpośredniego połączenia elektrycznego, ale wykorzystując magnetyczne sprzężenie indukcyjne. Transformatory wykonane są z rdzeni ferrytowych i wymagają precyzyjnego ustawienia strony pierwotnej i wtórnej, aby osiągnąć silne sprzężenie. Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy typowego obwodu realizującego indukcyjne sprzężenie magnetyczne.
Pierwszy etap reprezentowany jest przez falownik, który przekształca prąd stały (DC) na prąd zmienny (AC) o odpowiedniej częstotliwości (typowo w zakresie od setek kiloherców do kilku megaherców). Następnie sieć dopasowująca impedancję dostosowuje impedancję widzianą przez cewkę nadawczą w zależności od obciążenia, dzięki czemu można osiągnąć sprawność około 90%. Kolejny etap składa się z cewki nadawczej i odbiorczej, które służą do generowania i przechwytywania pola magnetycznego. Druga sieć dopasowania impedancji zapewnia, że obciążenie widzi odpowiednią impedancję i wreszcie prostownik przekształca prąd zmienny w stabilny prąd stały dzięki regulatorowi napięcia.
Wykorzystanie tej technologii w przenośnych urządzeniach elektronicznych jest uwarunkowane ograniczoną swobodą ruchu ze względu na potrzebę wysokiej wydajności i wagę materiałów magnetycznych luzem. Aby sprzężenie było efektywne, strona pierwotna i wtórna muszą być dobrze ustawione, a także odległość między nimi nie powinna przekraczać długości rzędu kilkudziesięciu centymetrów. Z tych powodów sprzężenie indukcyjne jest często stosowane do zasilania pojazdów elektrycznych.
Podchodząc od podstawowych zasad sprzężenia indukcyjnego, możliwe jest zwiększenie odległości transmisji poprzez technikę rezonansowego sprzężenia magnetycznego. Koncepcja rezonansowego sprzężenia magnetycznego jest następująca: duża spirala indukcyjna wzbudzona przez źródło częstotliwości radiowej może wykorzystać swój rezonans do wzbudzenia trybu rezonansowego w innej podobnej strukturze, umieszczonej w pewnej odległości. Pozwala to na uzyskanie transferu mocy bez użycia pola radiacyjnego, na odległość, która może być nawet czterokrotnie większa niż rozmiar spirali (rysunek 3).
Prąd zmienny o częstotliwości 50-60 Hz jest prostowany i przekształcany w prąd stały przez blok prostownika. Sygnał ciągły zasila następnie blok RF, wzmacniacz, który przekształca napięcie stałe w napięcie o częstotliwości radiowej używane do napędzania pętli do transmisji. Po stronie odbiorczej, przychodząca pętla rezonansowa przekazuje sygnał RF do prostownika, który zasila obciążenie odpowiednio regulowanym prądem stałym. Chociaż nie pokazano tego na rysunku, systemy te często zawierają sieci dopasowujące impedancję w celu osiągnięcia akceptowalnej sprawności transmisyjnej między źródłem a obciążeniem.
Układy te można przedstawić jako obwód RLC (rys. 4), w którym, przy częstotliwości rezonansowej energia oscyluje pomiędzy cewką indukcyjną L, gdzie jest magazynowana w polu magnetycznym, a kondensatorem C, gdzie jest gromadzona w polu elektrycznym. Jakość, z jaką rezonator gromadzi energię, określa współczynnik jakości Q, który jest funkcją częstotliwości rezonansowej w0 i współczynnika strat Γ:
Gdy dwa podobne rezonatory są umieszczone blisko siebie przy częstotliwości rezonansowej, następuje między nimi sprzężenie, umożliwiające transfer energii. Poniższy wzór podaje optymalną sprawność, z jaką odbywa się transfer energii:
Jak widać, zależy ona wyłącznie od współczynnika merit factor U, który wskazuje na dobroć sprzężenia.
W porównaniu z magnetycznym sprzężeniem indukcyjnym, rezonansowe sprzężenie magnetyczne ma znaczące zalety:
- brak rdzeni ferrytowych czyni je lżejszymi, a zatem bardziej podatnymi na integrację;
- odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem mogą sięgać do 4 metrów bez wysoce ograniczającego ograniczenia idealnego wyrównania pomiędzy dwoma pętlami;
Ustawienie cewek odbiorczej i nadawczej w polu przepływu oraz odległość pomiędzy cewkami określają wydajność, z jaką energia jest przekazywana. Częstotliwość rezonansowa, stosunek wymiarów cewek nadawczych do cewek odbiorczych, współczynnik sprzężenia, impedancja uzwojenia oraz prądy pasożytnicze cewki to kolejne czynniki, które mają duży wpływ na efektywność przesyłu energii.
Protokół Qi
System Qi jest standardem bezprzewodowego przesyłu energii. Składa się on z dwóch podstawowych modułów, a mianowicie stacji bazowej oraz urządzenia mobilnego. Jego architektura na najwyższym poziomie przedstawiona jest na rysunku 5.
Stacja bazowa zawiera jeden lub więcej nadajników mocy: każdy z nich może zapewnić funkcjonalność bezprzewodowego transferu energii do jednego urządzenia mobilnego w danym czasie i składa się zasadniczo z jednostki konwersji mocy oraz jednostki sterującej i komunikacji. Standard Qi jest już obecny na rynku konsumenckim, na pokładzie szerokiej gamy urządzeń mobilnych. Ale nawet rozwinięty świat może korzystać z tej technologii dzięki projektom takim jak niedawny TIDA-00881, płytka firmy Texas Instruments zaprojektowana w celu dodania do innych płytek TI o niskim poborze mocy (w tym tych z serii Launchpad) funkcjonalności zasilania bezprzewodowego zgodnego z Qi.
Infineon oferuje MOSFETy mocy dla wielu standardów ładowania bezprzewodowego i jest aktywnym członkiem Wireless Power Consortium (WPC) i AirFuel Alliance, dwóch wiodących konsorcjów korporacyjnych dla technologii ładowania bezprzewodowego. AirFuel Alliance zdefiniowało standard dla rezonansowego WPT, który działa na częstotliwości 6,78 MHz i umożliwia ładowanie wielu urządzeń jednocześnie. W szczególności BSZ0909ND nadaje się do architektur ładowania bezprzewodowego lub komponentów pilotujących (na przykład w dronach lub wielosilnikach), gdzie projektanci muszą uprościć układ i znacznie zaoszczędzić miejsce, bez uszczerbku dla wydajności.
Zapraszamy do EDN Asia po pełny artykuł
Elektronika mocy odgrywa coraz ważniejszą rolę na różnych rynkach, takich jak motoryzacyjny, Przemysłowe i konsumenckie. Jest to również technologia umożliwiająca realizację szerokiego zakresu nowych i ulepszonych funkcji, które zwiększają wydajność, bezpieczeństwo i funkcjonalność samochodów i inteligentnych sieci energetycznych. Wymagające wymagania elektryczne i termiczne silnie wpływają na projektowanie systemów energoelektronicznych. Power Electronics News będzie koncentrować się na głównych tematach, takich jak Power Converter, Motion Control, półprzewodników i zarządzania termicznego. Power Electronics News eBook jest interaktywnym podejściem do informowania o najnowszych technologiach, trendach i innowacjach produktowych na poszczególnych rynkach.