Беспроводная зарядная система

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам для обеспечения беспроводного питания и зарядки. Технический результат заключается в повышении эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии. Достигается тем, что зарядная станция состоит из излучателя, источника питания, плоской спиральной катушки излучателя, приемника, состоящего из колебательного контура, включающего в себя спиральную плоскую катушку, настроечный конденсатор и аккумулятор, модуль контроля, защиты и управления, резонансного автогенератора, а приемник потребителя электрической энергии включает в себя неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки и регулируемый преобразователь напряжения, при этом витки обмоток плоской спиральной передающей катушки излучателя зарядной станции и витки плоской спиральной принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью, при этом в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки мобильных робототехнических комплексов и платформ, мобильных телефонов и других устройств.

Известны устройства «Wireless energy transfer converters) (патент WO 2011112795 A1, 2010 г.) и «Method and Systems for wireless power transmission)) (патент US 2011241618A1, 2011 г.), 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, 2014 г.), 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.

Известна беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии (патент РФ №2510558, 2012 г.), 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.

Известна беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии (патент РФ №2698307, 2018 г.), 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, а также 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, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, а приемник потребителя электрической энергии содержит 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.

Недостатком существующих аналогов в предметной области является их низкая эффективность передачи энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является беспроводная зарядная система по заявке авторов №2022104248 от 21.02.2022 г., решение о выдаче патента РФ на изобретение от 03.08.2022 г.; содержащая зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с передающей и принимающей катушками, работающими с использованием обратной связи, в которой зарядная станция состоит из источника питания, модуля контроля, защиты и управления, резонансного автогенератора и плоской спиральной катушки излучателя, при этом к первому входу модуля контроля, защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, а приемник потребителя электрической энергии содержит 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, а витки плоской спиральной передающей катушки излучателя зарядной станции и витки плоской спиральной принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью.

Однако одним из основных недостатков существующих аналогов и прототипа в предметной области является их невысокая эффективность передачи энергии, выражающаяся в итоге в небольшом расстоянии между зарядной станцией и приемником потребителя, при котором возможна зарядка приемника потребителя.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии, которая в итоге выражается в увеличении расстояния между зарядной станцией и приемником потребителя.

Данная техническая проблема решается тем, что в беспроводной зарядной системе, содержащей зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с передающей и принимающей катушками, работающими с использованием обратной связи, в которой зарядная станция состоит из излучателя, источника питания, и спиральной плоской катушки излучателя, приемник потребителя электрической энергии состоит из колебательного контура, включающего в себя спиральную плоскую катушку, настроечный конденсатор, и аккумулятор, а также 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, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, приемник потребителя электрической энергии содержит неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения, а колебательный контур, неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения и аккумулятор соединены последовательно, а витки обмоток передающей спиральной катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей спиральной катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью, при этом в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.

Поскольку витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, то они одновременно являются и сердечником с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости, например, NANOPERM до 200000, Metglas до 1000000, железа (Fe) μ=5800; а в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (Н₂) величина магнитной проницаемости достигает μ=200000), что многократно увеличивает индуктивности катушек. При этом пленочное покрытие материалом с высокой электропроводностью толщиной в скин-слой (от десятков до сотен мкм) снижает активные потери энергии в катушках.

Дополнительно отметим, что некоторое время назад специалистами университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) разработан и предложен метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей.

Для этого было предложено использовать магнитно-активный метаматериал, благодаря которому можно получать достаточно сильные магнитные поля, используя при этом ток сравнительно малой силы. Такое решение позволило снизить электрические поля, являющиеся в данном случае паразитными и создавать безопасные и мощные электромагнитные системы.

Проведенное численное моделирование показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать индукцию и напряженность магнитного поля в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом (MSR), который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

В частности, дальнейшие экспериментальные исследования по повышению эффективности беспроводной передачи энергии с использованием "суперлинзы" на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, показали, что подобные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью. Исследования показали, что в экспериментах индукция и напряженность магнитного поля увеличилась почти в 64 раза, чем обычно. При этом, поскольку индукция и напряженность магнитного поля снижается обратно пропорционально кубу расстояния от источника, то благодаря применению "суперлинзы" на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, это позволило увеличить расстояние беспроводной передачи энергии почти в четыре раза, чем обычно [Magnetic levitation of metamaterial bodies enhanced with magnetostatic surface resonances. Y. Urzhumov, W. Chen, C. Bingham, W. Padilla, and D.R. Smith. Phys. Rev. В 85, 054430 - Published 27 February 2012.].

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показана структурная схема беспроводной зарядной системы, на фиг. 2 - внешний вид специальных пластин из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.

Беспроводная зарядная система, приведенная 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, аккумулятора 110 и специальных пластин из метаматериала 111 с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.

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 в виде плоской спирали. Излучение расходится радиально в направлении приемника и с других сторон ограниченно экранирующими стенками.

В направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки - катушки излучателя 104 - параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией 111, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.

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 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). Использование такого решения позволяет значительно снизить потери в зарядной станции 100.

Передающая (зарядная станция 100) и приемная (приемник потребителя электрической энергии 105) части беспроводной зарядной системы для мобильной робототехнической платформы или мобильного телефона, передающих устройств и т.п. 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.

Модуль контроля, защиты и управления 102 предназначен для управления работой резонансного автогенератора 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.

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.

Поясним, что в предлагаемой беспроводной системе зарядки расстояние между обмотками передающей катушки излучателя зарядной станции и обмотками принимающей катушки приемника потребителя как правило больше диаметра катушек, вследствие этого они обладают низкой степенью магнитной связи между собой и поэтому система беспроводной зарядки обязательно должна работать на резонансной частоте приемника.

Для уменьшения влияния поверхностного эффекта (скин-эффекта) - эффекта уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое, витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены, например, из железного проводника с пленочным покрытием внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с более высокой по отношению к железу электропроводностью.

Также укажем, что при значительных величинах силы тока в системе беспроводной зарядки витки обмоток целесообразно выполнять из провода прямоугольного сечения, исходя из его высокой электрической и механической прочности и хорошего охлаждения по сравнению с проводом круглого сечения. В этом случае поверхностный ток будет протекать по наружному электропроводящему слою, который обладает много меньшим удельным сопротивлением, а железо играет роль магнитопровода, увеличивающего магнитный поток, пронизывающий катушки и, соответственно, магнитную связь передающей и приемной катушек.

Отметим, что индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков обмотки.

Поскольку витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены, например, из железного проводника с покрытием, то они одновременно являются и сердечником с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости железа (Fe) μ=5800; при этом в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (Н₂), величина магнитной проницаемости достигает μ=200000), что в итоге многократно увеличивает индуктивность обмоток.

Благодаря использованию "суперлинзы" на основе специальных пластин из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других и ее расположению в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки - то при взаимодействии с магнитными полями передающей катушки передача энергии осуществляется в узком конусе с максимальной интенсивностью, которая позволяет значительно увеличить расстояние, на котором возможна беспроводная зарядка приемника.

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 технического решения, 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, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Беспроводная зарядная система, содержащая зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с передающей и принимающей катушками, работающими с использованием обратной связи, где зарядная станция состоит из источника питания, модуля контроля, защиты и управления, резонансного автогенератора и плоской спиральной катушки излучателя, при этом к первому входу модуля контроля, защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, а приемник потребителя электрической энергии содержит 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, а витки плоской спиральной передающей катушки излучателя зарядной станции и витки плоской спиральной принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью, отличающаяся тем, что в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.