Många av de senaste batteridrivna tekniska anordningarna ger möjlighet till uppladdning utan fysisk anslutning till en strömförsörjning, utan genom enkelt stöd till en särskild basstation, som dessutom inte nödvändigtvis måste tillhandahållas av samma tillverkare som anordningen. Om apparater från olika tillverkare kan fungera tillsammans med varandra beror det på att det finns öppna standarder, som mycket ofta utvecklas av ett konsortium av olika märken som är intresserade av att utveckla den aktuella tekniken.
Konceptet trådlös energiöverföring har varit känt länge, mer än 100 år för att vara exakt, och går tillbaka till uppfinningen av Teslas spole. En nyckelfaktor vid trådlös energiöverföring är effektivitet: för att kunna definiera systemet på ett effektivt sätt måste en stor del av den energi som överförs av generatorn nå den mottagande enheten. De två typer av induktiva kopplingsprocesser som kan användas för trådlös överföring i närfältet är den induktiva standardkopplingen och den induktiva resonanskopplingen.
Generellt sett är den induktiva standardkopplingen praktiskt genomförbar vid ett relativt kort kommunikationsavstånd, eftersom det mesta av det magnetiska flödet inte är kopplat mellan spolarna och de magnetiska fälten avtar snabbt. Den induktiva resonanskopplingen ger högre effektivitet (upp till 95 %) och fungerar även på relativt långa avstånd (flera meter), med tanke på att resonansspolen avsevärt minskar energiförlusterna som gör det möjligt att överföra energi från en spole till en annan.
Tillämpningar
Trådlös kraftöverföring (WPT) kan användas antingen för att direkt driva enheten, t.ex. LED-lampor eller en TV, och för att ladda ett batteri, t.ex. en mobiltelefon, genom att helt enkelt placera den på bord. Kommunikation mellan medicinsk utrustning som är inplanterad i människokroppen och extern utrustning har länge varit känd. Ett exempel på detta är de diagnostiska parametrar som överförs av en peacemaker till utsidan. I denna tillämpning möjliggör en induktiv koppling mellan en liten vridning placerad i apparatens hölje och en större vridning placerad på patientens bröstkorg kommunikation. Implanterade medicintekniska produkter måste dock ha rätt strömförsörjning, och även om användningen av litiumjonbatterier gör det möjligt för dem att fungera självständigt, krävs det invasiva ingrepp för att byta ut dem, vilket innebär relativa risker för patientens hälsa. WPT-tekniken kan lösa detta problem genom trådlösa laddningssystem. Under de senaste åren har tillämpningen av WPT-teknik på området hållbar e-mobilitet rönt ett växande intresse hos forskningsinstitutioner, särskilt i Asien. I dag måste elfordon via en kontakt kopplas till ett eluttag för att batterierna ska kunna laddas. Trådlös kraftöverföring gör det möjligt att eliminera sådana kontakter och möjliggör automatisk laddning (figur 1).
Teknik
Det elektromagnetiska fältet som strålar ut från en antenn får egenskaper som beror på avståndet från det strålande elementet. I synnerhet kan vi skilja mellan två områden: närfältsområde och fjärrfältsområde.
Ett exempel som vi alla känner till är transformatorn, som överför energi från en primär spole till en sekundär spole utan direkt elektrisk anslutning, men med hjälp av den magnetiska induktiva kopplingen. Transformatorer tillverkas med ferritkärnor och kräver en exakt inriktning mellan primär- och sekundärsidan för att uppnå en stark koppling. Figur 2 visar blockdiagrammet för en typisk krets som genomför en induktiv magnetisk koppling.
Det första steget representeras av en inverter, som omvandlar likström (DC) till växelström (AC) vid lämplig frekvens (vanligen i intervallet mellan hundratals kilohertz och flera megahertz). Därefter justerar ett impedansanpassningsnätverk impedansen för sändarspolen beroende på belastningen, så att en verkningsgrad på cirka 90 % kan uppnås. Nästa steg består av sändar- respektive mottagarspolar som används för att generera magnetfältet och för att fånga upp det. Ett andra impedansanpassningsnätverk ser till att belastningen ser lämplig impedans och slutligen omvandlar en likriktare växelströmmen till en stabil likström tack vare en spänningsregulator.
Användningen av denna teknik i bärbara elektroniska apparater betingas av den begränsade rörelsefriheten på grund av behovet av hög effektivitet och av vikten av magnetiska material i bulk. För att kopplingen ska vara effektiv måste den primära och den sekundära sidan vara väl utplacerade, och även avståndet mellan dem får inte överstiga längder i storleksordningen tiotals centimeter. Av dessa skäl används induktiv koppling ofta för att driva elfordon.
Med utgångspunkt i de grundläggande principerna för induktiv koppling är det möjligt att öka överföringsavstånden med hjälp av tekniken resonant magnetisk koppling. Konceptet bakom resonant magnetisk koppling är följande: en stor induktiv spiral som exciteras av en radiofrekvent källa kan utnyttja sin resonans för att inducera ett resonansläge i en annan liknande struktur som är placerad på ett visst avstånd. Detta gör det möjligt att få en kraftöverföring utan att använda ett strålningsfält, på ett avstånd som till och med kan vara fyra gånger större än spiralen (figur 3).
Den 50-60 Hz växelströmmen likriktas och omvandlas till likström av likriktarblocket. Den kontinuerliga signalen försörjer sedan RF-blocket, en förstärkare som omvandlar likspänningen till radiofrekvensspänning som används för att driva slingan in i överföringen. På mottagarsidan överför den inkommande resonansslingan RF-signalen till likriktaren, som förser lasten med en lämpligt reglerad likström. Även om det inte visas i figuren innehåller dessa system ofta impedansanpassningsnätverk för att uppnå en godtagbar överföringseffektivitet mellan källa och belastning.
Systemen kan representeras som en RLC-krets (figur 4) i vilken, vid resonansfrekvensen pendlar energin mellan induktorn L där den lagras i magnetfältet och kondensatorn C där den ackumuleras i det elektriska fältet. Den kvalitet med vilken resonatorn ackumulerar energi definieras av kvalitetsfaktorn Q, som är en funktion av resonansfrekvensen w0 och av förlustfaktorn Γ:
När två likadana resonatorer placeras nära varandra vid resonansfrekvensen uppstår en koppling mellan dem, vilket möjliggör en överföring av energi. Följande formel ger den optimala effektiviteten med vilken energiöverföringen sker:
Som framgår beror den enbart på meritfaktorn U, som anger hur bra kopplingen är.
Vid jämförelse med den magnetiska induktiva kopplingen har den resonanta magnetiska kopplingen avsevärda fördelar:
- frånvaron av ferritkärnor gör dem lättare och därmed mer integrerbara;
- Avstånden mellan sändare och mottagare kan nå upp till 4 meter utan den mycket begränsande begränsningen av en perfekt inriktning mellan de två slingorna;
At inriktningen av mottagar- och sändarspolarna i flödesfältet och avståndet mellan spolarna bestämmer hur effektiv energiöverföringen är. Resonansfrekvensen, förhållandet mellan dimensionerna på sändningsspolarna och på mottagningsspolarna, kopplingsfaktorn, lindningsimpedansen och spolens parasitströmmar är andra faktorer som har stor inverkan på överföringseffektiviteten energi.
Qi-protokollet
Qi-systemet är en standard för trådlös energiöverföring. Det består av två grundmoduler, nämligen basstationen och den mobila enheten. Dess arkitektur på högsta nivå representeras i figur 5.
Basstationen innehåller en eller flera kraftsändare: var och en av dem kan tillhandahålla funktionalitet för trådlös kraftöverföring till en enda mobil enhet åt gången och består i princip av en kraftomvandlingsenhet och en styrenhet och kommunikation. Qi-standarden finns redan på konsumentmarknaden, med ett brett utbud av mobila enheter. Men även den utvecklade världen kan dra nytta av den här tekniken tack vare projekt som det nyligen framtagna TIDA-00881, ett kort från Texas Instruments som är utformat för att till andra TI-kort med låg effekt (inklusive de i Launchpad-serien) lägga till strömförsörjningsfunktionaliteten trådlös Qi-kompatibel.
Infineon erbjuder effekt-MOSFET:er för många standarder för trådlös laddning och är en aktiv medlem av Wireless Power Consortium (WPC) och AirFuel Alliance, de två ledande företagskonsortierna för trådlös laddningsteknik. AirFuel Alliance har definierat en standard för resonant WPT, som fungerar vid en frekvens på 6,78 MHz och möjliggör laddning av flera enheter samtidigt. BSZ0909ND är särskilt lämplig för trådlösa laddningsarkitekturer eller komponenter för styrning (t.ex. i drönare eller flermotoriga fordon) där konstruktörerna behöver förenkla layouten och spara betydligt utrymme, utan att kompromissa med effektiviteten.
Besök EDN Asia för hela artikeln
Elektroelektronik spelar en allt viktigare roll på olika marknader som t.ex. inom bilindustrin, industri och konsumenter. Den är också en möjliggörande teknik för ett stort antal nya och förbättrade funktioner som förbättrar prestanda, säkerhet och funktionalitet i bilar och smarta nät. De utmanande elektriska och termiska kraven påverkar starkt utformningen av kraftelektroniska system. Power Electronics News skulle fokusera på huvudämnen som kraftomvandlare, rörelsereglering, halvledare och värmestyrning. Power Electronics News eBook är en interaktiv metod för att informera om den senaste tekniken, trenderna och produktinnovationerna på specifika marknader.