Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» наименование образовательной программы

Разработка комплекса для беспроводной зарядки устройств

Студент

Е.А. Широбоков

Научный руководитель

А.Ю. Ролич

Москва 2019 г



Аннотация

Ключевые слова: БЕСПРОВОДНАЯ ЗАРЯДКА, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ, РЕЗОНАНС.

Целью данной выпускной квалификационной работы является исследование комплекса для беспроводной зарядки маломощных устройств и проведение комплексного исследования характеристик данного комплекса в различных условиях его использования.

Выпускная работа состоит из введения, четырех основных глав и заключения. Во введении будет освещена решаемая проблема, её актуальность и основные цели. В первой главе будет проведен обзор и анализ предметной области, представлены основные существующие концепты и прототипы на рынке беспроводной энергии. Во второй главе будут рассмотрены основные методы беспроводной передачи электроэнергии, проведен их анализ и выбор подходящего для разработки своего прототипа. В теоретической части будет описан принцип работы схемы, а также приведены основные физические законы. В практической части будет разобран процесс создания собственного прототипа, а также моделирование и печать корпуса для разработанной схемы в учебной лаборатории.

KEYWORDS: WIRELESS CHARGING, ELECTRICITY, ELECTROMAGNETIC INDUCTION, RESONANCE.

The general purpose of the research is to study the complex for wireless charging of low-power devices and conduct a comprehensive study of the characteristics of this complex in various conditions of its use.

Graduation work consists of introduction, four main chapters and conclusion. In the introduction, the solved problem, its relevance and main goals will be presented. The first chapter will conduct a review and analysis of the subject area, present the main existing concepts and prototypes in the wireless energy market. In the second chapter, the basic methods of wireless power transmission will be reviewed, their analysis and selection of the appropriate prototype for development will be carried out. In the theoretical part, the principle of operation of the circuit will be described, as well as the basic physical laws. In the practical part, the process of creating your own prototype will be disassembled, as well as the modeling and printing of the case for the developed scheme in the educational laboratory.



Оглавление

Введение

1. Обзор и анализ предметной области

1.1 История развития беспроводной передачи энергии

1.2 Обзор рынка беспроводной связи

1.3 Концепты и прототипы

1.4 Обзор готовых решений, доступных в розничной продаже

1.5 Метод электростатической индукции

1.6 Метод микроволнового излучения

1.7 Лазерный метод

1.8 Метод магнитно-резонансной индукции

1.9 Анализ методов и выбор наилучшего

1.10 Сферы применения

1.11 Преимущества и недостатки

2. Теоретическая часть

2.1 Принцип работы беспроводного устройства

3. Практическая часть и экспериментальная часть

3.1 Описание технических решений

3.2 Моделирование эквивалентной схемы в LTspice

3.3 Печать корпуса устройства на 3D принтере

3.4 Создание корпуса с деревянным элементом между трансмиттером и ресивером

3.5 Анализ полученных результатов

Заключение

Список использованных источников



Введение

В настоящее время люди ежедневно пользуются мобильными устройствами, аккумуляторы которых склонны к тому, чтобы довольно часто разряжаться. Отсюда вытекает необходимость в частой подзарядке этих устройств, особенно при их активном использовании, что можно наблюдать в последнее время. Для того, чтобы не попасть в неприятную ситуацию, пользователям мобильных устройств приходится брать с собой проводные зарядные устройства, которых в данный момент на рынке огромное количество. Такое разнообразие адаптеров для подзарядки объясняется тем, что в различных устройствах чаще всего разная форма разъемов и электрические характеристики. Таким образом, можно отметить отсутствие универсального разъема для подзарядки, а используемые провода и адаптеры как правило скапливаются в определенном месте. Такое беспорядочное хранение ведет к изломам в проводах, что не исключает выхода кабеля из строя или других более неприятных последствий, а срок службы адаптеров для питания сильно сокращается.

До недавних пор на рынке мобильных устройств существовали три основных типа портов для зарядки: USB Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0 November 12, 2008 Intel, Microsoft, NEC, USB Type-C Universal Serial Bus Type-C(TM) Cable and Connector Specification, Revision 1.4, March 29, 2019, Micro-USB Universal Serial Bus Micro-USB Cables and Connectors Specification, Revision 1.01, April 4, 2007. Недавно появился ещё один разъём для зарядки портативной техники компании Apple - Lightning Lightning (connector) Specification, Revision 1.0 September 12, 2012 Apple Inc.. Таким образом, можно заметить, что производители предпринимали попытки сократить число разновидностей кабелей, но не смогли свести все к одному универсальному разъему. Для решения данной проблемы на рынке электроники все больше набирают популярность беспроводные методы передачи электроэнергии, которые не предполагают использование проводов при зарядке портативного устройства. Таким образом, решается вышеописанная проблема путем внедрения данного вида зарядок и создания универсального передатчика электроэнергии, подходящий под все используемые мобильные устройства с поддержкой функции беспроводной зарядки, то есть имеющие в своем составе приемник.

Беспроводная передача энергии очень важна и зачастую необходима в современном мире, где передача энергии не всегда удобна через обычные провода. Данная технология полезна в том смысле, что она способствует избавлению от проводов, а также позволяет сделать процесс зарядки более удобным и технологичным. Определение беспроводной передачи энергии (от англ. Wireless Power Transmission (WPT Nawaz, Suddiyas. "Wireless Power Transmission". Academia 2015. Retrieved 31 December 2015.)): эффективная передача электроэнергии из одной точки в другую через вакуум или атмосферу без использования проводов или каких-либо токопроводящих элементов в электрической цепи.

В рамках выпускной квалификационной работы основной целью стало исследование технологии беспроводной передачи данных и тестирование действующего прототипа для беспроводной зарядки маломощных устройств без необходимости использования проводов, которые подвержены изломам и полному выходу из строя в разных условиях использования. Данная сфера является в настоящее время сильно актуальной всвязи с активным использованием мобильных устройств в повседневной жизни и постоянной необходимостью их подзарядки. Важными характеристиками комплекса будет являться дальность зарядки, а также соответствию стандарту беспроводной передачи энергии для поддержки широкого спектра мобильных устройств на рынке электроники.

Ожидается, что в результате выполнения данной выпускной квалификационной работы будут решены следующие задачи:

· Проведен анализ предметной области и обоснованы актуальность выбранной темы;

· Сформулированы цели и задачи исследования;

· Построена электрическая схема, компьютерное моделирование предложенной схемы;

· Осуществлена практическая работа в учебной лаборатории 3D-визуализации и компьютерной графики (произведен корпус для зарядного устройства на 3D-принтере);

· Проведены тестирование и анализ полученного прототипа беспроводного зарядного устройства для маломощных устройств.

Объектом исследования являются беспроводные зарядные устройства, позволяющие подзаряжать мобильные телефоны без необходимости использования проводов и сам принцип работы индуктивной зарядки. При этом предмет исследования состоит в анализе структуры объекта исследования, требований, методов, алгоритмов и средств его реализации.

Новизна заключается в применении аппаратного комплекса, позволяющего обеспечить беспроводной способ заряда аккумуляторов устройств в рамках концепции умного стола.

Практическая значимость исследования заключается в возможности применения результатов исследования на практике. Приводятся результаты практического использования метода магнитно-резонансной индукции, как основного, при разработке аппаратного комплекса, оцениваются потери при таком способе зарядки и коэффициент передачи энергии.



1. Обзор и анализ предметной области

Передача электрической энергии без проводов известна как Беспроводная передача энергии (WPT Kurs Andre, Karalis Aristeidis, Moffatt Robert (July 2007). "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances" (PDF). Science. 317 (5834): 83-85. - Wireless Power Transfer). WPT может доставлять питание от источника переменного тока на батареи или другие электронные устройства без физического подключения (см. рисунок 1). Мобильные телефоны и планшеты, дроны, автомобили, носимую электронику с помощью беспроводной зарядки возможно заряжать дистанционно.

Рисунок 1. Подключение проводов

Беспроводное зарядное устройство использует поля, созданные заряженными частицами, для переноса энергии между передатчиком и приемником буквально «по воздуху» (см. рисунок 2). Энергия преобразуется в колебательное поле, передается, а затем преобразуется в полезный электрический ток приемником. В зависимости от мощности и расстояния, энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие, как, например, радиоволны, микроволны или даже свет.

Рисунок 2. Беспроводная зарядка дома

Преимущества беспроводной передачи энергии

У рассматриваемой технологии есть огромный ряд преимуществ, что делает её более надежной и перспективной по сравнению с привычным проводным способом.

· Прежде всего, WPT является безопасной, надежной, водонепроницаемой и долговечной формой передачи энергии;

· WPT избавляет пользователей от использования раздражающих проводных соединений;

· Беспроводная технология позволяет заряжать труднодостижимые устройства, до которых не всегда представляется возможным дотянуться обычным кабелем;

· Беспроводная зарядка позволяет избежать коротких замыканий и различного рода повреждений кабелей;

· Электрические потери при рассеивании электромагнитного поля находятся на незначительном уровне, поэтому эффективность этого метода по данному показателю не сильно уступает проводному способу передачи;

· Одним из основных преимуществ является то, что беспроводное питание позволяет значительно расширить диапазон поддерживаемых мощностей;

· WPT увеличивает срок службы устройства, для которого производится зарядка, из-за отсутствия износа разъемов.

1.1 История развития беспроводной передачи энергии

Концепция передачи энергии без проводов была введена в начале 1890-х годов: ученый сербского происхождения Никола Тесла (рисунок 3) успешно зажег электрические лампочки в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс.

Рисунок 3. Никола Тесла

В своем эксперименте он использовал электродинамическую индукцию, которая также известна как резонансная индуктивная связь. В 1893 году он продемонстрировал свои достижения на Колумбийской Международной Выставке в Чикаго, чем вызвал настоящий фурор в прессе того времени.

Проводя свои собственные эксперименты в лаборатории, Тесла изобрел электрический резонирующий трансформатор в 1891 году (см. рисунок 4). Этот трансформатор также был известен как катушка Тесла.

Рисунок 4. Лаборатория Николы Тесла

После того, как Никола Тесла представил концепцию беспроводной передачи энергии, начиная с 1902 года многие ученые провели свои исследования. Некоторые из них смогли добиться больших достижений в области индукционной передачи энергии с близкого расстояния. Благодаря работе и патентам Теслы произошел второй этап технической революции, повлекший за собой массу интересных научных открытий.

К сожалению, мировые войны и финансовые кризисы отодвинули технический прогресс на второй план и дальнейшие серьезные научные открытия и демонстрации происходили спустя более чем 50 лет, то есть после 50-х годов прошлого столетия и происходят по сей день. В 1964 году Вильям Браун, эксперт в области СВЧ (сверхвысокочастотное излучение) продемонстрировал модель вертолета, способную использовать в качестве питания энергию СВЧ пучка. Это стало возможным с помощью антенной решетки, которая состояла из полуволновых диполей, которые были нагружены на диоды Шоттки. К 1976 году Вильям Браун произвел передачу энергии с помощью СВЧ-пучка мощностью 30 кВт на 1,6 км с высокими КПД (коэффициент полезного действия) - более 80% [1].

Только в 2009 году ученые перешли к стандартизации беспроводной передачи энергии и внедрению данных технологий в повседневную жизнь. Группа технологический компаний, объеденных общими целями, создает Wireless Power Consortium, продуктом которой стал наиболее распространенный на текущий момент времени стандарт беспроводной передачи данных «Qi» (читается как «ци» в честь термина, пришедшего из китайской философии). Qi позволяет не только производить дистанционную зарядку устройств, но и имеет встроенный протокол передачи и обмена данными между устройствами, чтобы взаимодействие происходило нужным образом [2].

В 2015 году американские ученые обнаружили, что энергию можно передать, модернизировав технологию Wi-Fi.

1.2 Обзор рынка беспроводной связи

Аналитики IHS Markit прогнозируют устойчивый рост спроса на потребительские устройства с поддержкой функции беспроводной зарядки в ближайшие годы (см. рисунок 5).

Ожидается, что на глобальном рынке беспроводной передачи электроэнергии в течение прогнозируемого периода будет наблюдаться значительный ежегодный рост в 20,7%. Кроме того, прогнозируется, что мировой рынок беспроводной передачи энергии достигнет 12,43 млрд долларов США к концу 2024 года.



Рисунок 5. Мировой рынок WPT

В 2016 году выручка от продуктов беспроводной передачи энергии составила 2,43 млрд долларов США. Этот значительный рост рынка может быть объяснен такими факторами, как: рост дохода населения и быстрый технический прогресс беспроводных устройств передачи энергии (см. рисунок 6) [2].

Рисунок 6. Мировой рынок WPT в зависимости от используемой технологии

Географически Азиатско-Тихоокеанский регион доминирует на мировом рынке беспроводной передачи энергии и, как ожидается, продолжит доминировать в течение прогнозируемого периода благодаря внедрению электронной промышленности и росту электронного бизнеса в регионе. Рост располагаемых доходов населения привел к росту спроса на беспроводные устройства и продукты для передачи энергии.

На долю Европы приходится вторая по величине доля рынка беспроводной передачи энергии по всему миру. Ожидается, что в течение прогнозируемого периода Европа продемонстрирует скромные темпы роста в связи с ростом рынка электромобилей в регионе. Кроме того, ожидается, что растущий рынок гибридных транспортных средств, электромобилей и мобильных устройств, таких как смартфоны, переносные гаджеты и другие, положительно повлияет на рост рынка беспроводной передачи энергии в регионе.

Согласно оценкам экспертов, в 2016 году по всему миру было реализовано около 350 млн различных приемников и передатчиков, основанных на беспроводных способах передачи электрической энергии.

К 2017 году поставки данных гаджетов выросли до 500 млн штук. Таким образом можно отметить, что рост по отношению к предыдущему году составил ощутимые 40%.

В наступившем 2019 году, согласно прогнозам специалисты, продажи гаджетов, включающих в свой состав передатчик энергии беспроводным способом, достигнут 1 млрд единиц по всему миру. Эксперты также отмечают, что в 2021-м году спрос на такие устройства превысит 1,5 млрд штук, а в 2022 году составит около 2 млрд единиц.

Рост рынка беспроводной связи прежде всего обеспечивают сотовые аппараты с поддержкой беспроводной подзарядки. Тем не менее, аналитики IHS Markit выделяют также и другие категории, способствующие развитию данной отрасли. Под эти категории в том числе попадают «умные» часы и зубные щётки с функцией беспроводной зарядки.

На рисунке 7 приведена диаграмма объема рынка беспроводных зарядных устройств с делением по категориям.



Рисунок 7. Диаграмма распределения рынка беспроводных зарядных устройств

1.3 Концепты и прототипы

На данный момент существует определенное количество концептов, разработанных учеными и исследователями по всему миру. Это ещё раз подчеркивает заинтересованность исследователей в технологии беспроводной передачи энергии и подтверждает её потенциальные перспективы.

Таким образом американская компания WiTricity разрабатывает системы беспроводной подзарядки электромобилей. Идея заключается в том, что можно оставить машину на специальной парковке после чего начнется процесс подзарядки без проводов и дополнительных действий со стороны водителя. По заявлению производителей поддерживаемая мощность такой зарядки от 3.6 до 11 кВт и выше. Для сравнения, мощность стандартной зарядки для электромобилей Tesla составляет также 11 кВт, поэтому беспроводная зарядка не будет уступать обычному методу, как это могло показаться на первый взгляд. Технология обложена различными патентами, использует явление резонанса и имеет КПД 93%.

Команда исследователей PoWiFi «Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi», Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Benjamin Ransford, Saman Naderiparizi, Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith, University of Washington из США решила не придумывать специальных зарядных устройств, а решила передавать энергию, излучаемую беспроводными точками доступа, непосредственно по воздуху. Мощности от такой технологии вполне хватает для подзарядки фитнес-браслетов и небольших датчиков или аккумуляторов на расстоянии нескольких метров от точки доступа.

Проект uBeam заявляет о возможности зарядки устройств с помощью ультразвуковых волн. Уже существует готовый прототип, который подтверждает жизнеспособность модели.

1.4 Обзор готовых решений, доступных в розничной продаже

Как было сказано выше, беспроводная зарядка -- это передача энергии без проводов от источника питания к потребляющему устройству. Беспроводные зарядные устройства содержат зарядную станцию (или передатчик), которая передает энергию, и приемник (встроенный в устройство), который принимает энергию и заряжает аккумулятор. Это надежная, удобная и безопасная технология для питания и зарядки электрических устройств. Кроме того, данная технология обеспечивает множество эффективных, экономичных и более безопасных преимуществ по сравнению с традиционными системами зарядки, исключая использование физических разъемов и кабелей. Кроме того, она поддерживает непрерывную передачу энергии, чтобы обеспечить зарядку и готовность к использованию всех видов устройств, таких как портативные промышленные устройства, смартфоны, сверхмощное оборудование и другие.

В основном беспроводная передача энергии обычно используется в электронных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки, носимая электроника и портативные устройства. Прогнозируется, что использование системы беспроводной зарядки для портативной электроники и носимых устройств может потенциально увеличить срок службы устройства, а также обеспечить значительный рост рынка беспроводной зарядки в сфере электроники. Кроме того, IoT Internet Of Things (англ.). Gartner IT glossary. Gartner (5 May 2012). -- Интернет вещей - это сеть физических объектов, которые содержат встроенные технологии для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. набирает популярность и рассматривается как третья волна технологий. Более того, в настоящее время поддержка беспроводной зарядки стало основным требованием к портативному электронному продукту, на который ориентируется IoT, таким как смартфоны, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, ноутбуки и планшеты, носимая электроника и бытовая электроника. Всвязи с этим ожидается, что рост популярности рынка IoT даст толчок для роста рынка беспроводных зарядок для маломощных устройств.

Тем не менее, если посмотреть на доступные устройства на рынке - можно найти множество различных моделей как по внешнему виду, так и по характеристикам. Уже даже сейчас выбрать подходящее для себя устройство становится проблематично, особенно из-за наличия большого числа китайской электроники, не всегда соответствующей заявленным характеристикам.

Таблица 1. Сравнение готовых решений, доступных в розничной продаже

Модель Характеристика	Skyway Energy Fast	Samsung EP-PG950	Xiaomi Mi Wireless Charging Pad
Макс. выходной ток	1.2 А	1 А	2 А
Минимальное входное напряжение	5 В	5 В	5 В
Быстрая зарядка
Максимальное входное напряжение	9 В	9 В	220 В
Минимальное выходное напряжение	5 В	5 В	5 В
Максимальное выходное напряжение	9 В	9 В	9 В
Qualcomm Quick Charge 3.0
Стоимость	1 990 руб.	2 923 руб.	983 руб.

В Таблице 1 рассмотрены именно передатчики беспроводной энергии, использующиеся для подзарядки маломощных устройств, так как приемники обычно предусмотрены конструкцией заряжаемых устройств и уже встроены в соответствующие гаджеты. Если посмотреть на таблицу, то можно заметить, что многие характеристики передатчиков являются очень схожими. Это происходит, потому что максимальные выходные характеристики жестко закреплены стандартами беспроводной передачи энергии для обеспечения безопасности и предотвращения преждевременного выхода устройства (приемника) из строя.

Выводы по главе: в данной главе была рассмотрена предметная область, а именно сфера беспроводной передачи энергии, а также упомянуты концепты и прототипы, основанные на данном методе передачи энергии. В конце главы была приведена сравнительная таблица популярных моделей зарядок, доступных в розничной продаже.

1. Технологии беспроводной передачи энергии

В этой главе будут рассмотрены основные способы передачи энергии беспроводным способом, многие из которых хорошо изучены и давно известны.

На рисунке 8 представлены возможные методы передачи беспроводной энергии.



Рисунок 8. Методы передачи беспроводной энергии

1.5 Метод электростатической индукции

Метод заключается в наведении собственного электростатического поля, под воздействием внешнего электрического поля (см. рисунок 9). Связан этот процесс с перераспределением зарядов внутри проводящих тел.

Емкостная (электростатическая) связь - это прохождение сквозь диэлектрик электроэнергии. Диэлектрик является материалом, практически ток не проводящим, главным свойством которого является способность к поляризации [3].

Рисунок 9. Метод электростатической индукции

1.6 Метод микроволнового излучения

Петр Леонидович Капица, один из самых известных ученых 20-го века посвятил часть своей карьеры разработкам технологии беспроводной передачи энергии с помощью СВЧ излучения. Чуть позже, в 1976 году американскому ученому Вильяму Брауну удалось передать энергию на расстояние около одной мили с КПД более 80% с помощью ректенны. Ректенна - это нелинейная антенна, целью которой является преобразование энергии поля в энергию постоянного тока. Ректенна преобразует энергию с КПД около 95%. Данная технология является перспективной и в текущий момент разрабатываются технологии размещения крупных солнечных батарей на геостационарной орбите с дальнейшей передачей энергии на Землю сфокусированным СВЧ пучком (см. рисунок 10) [3].

Рисунок 10. Перспективы СВЧ

1.7 Лазерный метод

В более высоком диапазоне частот был обнаружен еще один способ передачи энергии - лазерный. Аналогично СВЧ, сфокусированный поток может быть направлен с орбиты на Землю, а затем преобразован в фотодетекторе. Казалось бы, данная технология является оптимальной, так как лазер дает когерентный пучок света, однако технология является небезопасной и имеет достаточно низкий КПД.

Метод электромагнитной индукции

Для этого метода используется электромагнитное поле. С помощью взаимной индукции, на вторичной обмотке устройства создается наведённый ток с первичной обмотки (см. рисунок 11). Серьезным минусом является необходимость близкого расположения обмоток, иначе КПД падает очень сильно. Устройство, по сути, является обычным трансформатором без физической связи между катушками. На текущий момент данный метод является самым распространенным, имеет несколько стандартов передачи энергии и обмена данными [4].

Рисунок 11. Метод электромагнитной индукции

1.8 Метод магнитно-резонансной индукции

Рисунок 12. Метод магнитно-резонансной индукции

Отличием данного метода от метода электромагнитной индукции является использование резонанса между катушками, что увеличивает дальность передачи.

Магнитное поле создается с помощью индуктивной связи между катушками проводов или электрических полей с использованием емкостной связи между электродами (см. рисунок 12). Понятие индуктивной связи и магнитного поля исходит из следующих принципов:

Закон Ампера

Согласно закону Ампера, когда ток проходит через замкнутый контур проводника или катушки, вокруг него создается магнитное поле. Магнитное поле, создаваемое током, пропорционально величине этого тока с постоянной пропорциональностью, равной проницаемости свободного пространства [4].

Закон индукции Фарадея

В нем говорится, что мгновенная электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение, индуцированное в цепи из-за изменения магнитного поля, прямо пропорционально изменению этого магнитного поля [4].

Закон Ленца

В нем говорится, что индуцированная ЭДС генерирует ток, который создает новое магнитное поле, которое действует против существующего магнитного поля [4].

В общем случае система, основанная на методе магнитно-резонансной индукции, состоит из передатчика, подключенного к источнику питания, и приемника, который получает энергию и передает ее на нагрузку. На стороне передатчика находится первичная катушка, а на стороне приемника - вторичная катушка. Когда питание подключено к первичной катушке, через нее проходит ток, и вокруг нее формируется магнитное поле. Когда вторичная катушка приближается к первичной катушке, во вторичной катушке индуцируется напряжение, которое генерирует ток, который вызывает другое магнитное поле вокруг вторичной катушки. Ток, произведенный во вторичной катушке, используется любой нагрузкой без физического соединения.

Для увеличения максимальной передаваемой мощности:

1. Две катушки должны быть настроены на одну и ту же резонансную частоту;

2. Обе катушки должны иметь высокий показатель добротности для более высокой скорости обмена энергией;

3. Коэффициент связи между ними должен быть высоким.

1.9 Анализ методов и выбор наилучшего

По сравнению с традиционной зарядкой с помощью провода и адаптера питания беспроводная зарядка имеет следующие преимущества:

+ Отсутствует проблема с подключением кабелей. Разные модели устройств могут использовать одно и то же зарядное устройство;

+ Водонепроницаемость и пыленепроницаемость позволяют достигнуть долгого срока службы этих устройств;

+ Технология облегчает зарядку датчиков, имплантированных в тело;

+ Передаваемая мощность может регулироваться и излучаться только при необходимости.

Недостатки индуктивной зарядки:

- Высокие затраты на внедрение, поскольку приемные схемы необходимо внедрять на этапе производства мобильных устройств;

- Излучается большое количество тепла во время зарядки;

- Зарядка происходит немного медленнее и менее эффективно.

Посмотрев на Таблицу 2, можно сделать выводы о том, что среди множества методов передачи энергии у каждого есть как преимущества, так и недостатки. Хотелось бы заострить внимание на методе магнитно-резонансной индукции, так как этот метод не обладает явными недостатками и обеспечивает хорошие показатели КПД при передаче энергии от источника к приемнику за счет использования явления резонанса.

Таблица 2. Сравнение методов беспроводной передачи энергии

	Метод электростатической индукции	Метод микроволнового излучения	Лазерный метод	Метод электромагнитной индукции	Метод магнитно-резонансной индукции
КПД	не измерено	не менее 95 %	10 - 30 %	? 80 %	? 85 %
Дальность действия	средняя	большая	большая	очень маленькая (1-7 см)	маленькая
Недостатки	не получило особого распространения	большие размеры передающей антенны и ректенны (1 км и 10 км соотв.)	низкая эффективность, высокие потери	минимальная дальность действия	дальность действия уступает другим методам, кроме одного

Данный метод уступает по дальности распространения магнитного поля, но при этом не обладает такими явными недостатками, как необходимость в больших размерах передающей антенны и ректенны в случае метода микроволнового излучения. По результатам рассмотрения существующих методов было принято решение остановиться на методе магнитно-резонансной индукции и провести исследование именно на его основе.

1.10 Сферы применения

Сотовые телефоны, ноутбуки, планшеты и умные часы распространены по всему миру, ими пользуются миллиарды людей. Общим для всех этих устройств является необходимость подзарядки внутреннего аккумулятора, чтобы устройство стало мобильным. В этом и заключается парадокс портативных устройств: они крайне удобны во время использования, но доставляют большой дискомфорт, когда аккумулятор садится. Пользователи вынуждены носить с собой громоздкие зарядные устройства, так как стандарты и разъемы для подключения зарядных устройств у производителей разные (основные стандарты: Apple Lightning, Micro USB 2.0, USB Type-C) (см. рисунок 13) [5].

Рисунок 13. Зарядные устройства

Помимо этого, пользователи вынуждены искать источник энергии, либо носить дополнительный громоздкий переносной аккумулятор (Powerbank) с собой.

Исправить это можно тремя путями: увеличить емкость аккумулятора, повысить энергоэффективность компонентов девайса (уменьшить потребление энергии), либо упросить процесс зарядки мобильного устройства и сделать его более удобным.

В текущий момент времени инвестируются миллиарды долларов в разработку новых технологий и способов хранения энергии (литий-воздушные аккумуляторы, твердотельные аккумуляторы), однако данные разработки на текущий момент времени не оправдывают вложенные в них средства. Также большие суммы вкладываются в оптимизацию работы литий-ионных аккумуляторов, но серьезных технологических прорывов в этой сфере не ожидается.

Что касается энергоэффективности: корпорации встраивают в свои устройства OLED Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) -- полупроводниковый прибор, который эффективно излучает свет при прохождении электрического тока через органические соединения. экраны с низким потреблением, благодаря использованию технологии PenTile, и отсутствию необходимости подачи электричества на пиксель для отображения черного цвета. Также в новые устройства интегрируются процессоры с пассивным охлаждением, режимами отключения неиспользуемых ядер и занижением тактовой частоты для большей энергоэффективности. Эти устройства часто комплектуются твердотельными SSD накопителями [6].

Однако все эти инновации почти не приносят видимого результата - современный смартфон зачастую не способен выдержать более 5 часов типовой рабочей нагрузки без дополнительной подзарядки. Поэтому оптимальным путем оптимизации пользовательского опыта является упрощение процесса зарядки. Это и является основным преимуществом беспроводных зарядных устройств, которые будут установлены повсюду - у пользователей не будет необходимости в ношении каких-либо дополнительных проводов к телефону и поиске розеток. Они смогут просто класть телефон в специально оборудованные и отмеченные соответствующим знаком места. Более того, это сделает процесс зарядки более безопасным - кабели несут в себе риск поражение электрическим током и могут привести к пожару.

Основная сфера применения беспроводных зарядных - носимая электроника, а именно: телефоны, планшетные компьютеры, беспроводные наушники и устройства интернета вещей (Internet Of Things - IoT), однако, существуют и более серьезные цели.

Беспроводные зарядные устройства могут применяться в промышленных масштабах - подзарядка аккумуляторов транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания и электромобилях, что однозначно упростит процесс их использования. В разработке существуют прототипы дорог, которые заряжают электромобили прямо во время езды по ним (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Дорога с беспроводной зарядкой

В современной медицине используются разнообразные имплантируемые устройства: инфузионные насосы, кардиостимуляторы и различные иные стимуляторы. Данные устройства электрические, имеют аккумулятор и их нужно периодически заряжать. Для этого необходимо снимать устройство, разбирать и после устанавливать пациенту обратно. С помощью безопасной беспроводной зарядки появляется возможность подзаряжать данные устройства, с помощью чего человек сможет избегать хирургического вмешательства (см. рисунок 15).

Рассмотрим плюсы и минусы беспроводной зарядки в рамках типичного ежедневного использования.

Преимущества:

· Возможность подзарядки смартфона без необходимости ношения с собой зарядного устройства. Многие кафе и рестораны уже начинают встраивать беспроводные зарядки в столики;

· Удобство подключения - дома можно просто положить телефон на док-станция, без необходимости подключения проводов;

Рисунок 15. Применение беспроводной зарядки в медицине

1.11 Преимущества и недостатки

· Безопасность - риск получить увечья от беспроводной зарядки гораздо меньше, чем от кабеля. Проводную зарядку можно серьезно повредить, что приведет к ее выходу из строя. Беспроводную зарядку повредить гораздо сложнее.

Недостатки:

· Потеря мобильности: если положить телефон заряжаться на столе, то желательно его не перемещать, не сдвигать и не поднимать, потому что это приведет к увеличению времени зарядки, либо вообще разрывом связи между трансмиттером и ресивером.

· Низкая скорость зарядки: у беспроводной зарядки достаточно большой коэффициент потерь. Аккумулятор, емкостью в 2000 мАч заряжается около 2,5 часов при идеальном положении. При смещении телефона это время может вырасти вдвое.

· Отсутствие единственного стандарта. Наиболее популярным стандартами являются Qi и PWA. На текущий момент на рынке нету устройства, которое поддерживало бы оба стандарта.

Стандартизация

Для удобства пользователей, рынок беспроводных зарядок нуждался в стандартизации и спецификации. С помощью данных процедур становится возможной поддержка всеми телефонами одного или нескольких стандартов беспроводной передачи энергии. Рынок проводных зарядок также достаточно быстро трансформируется - многие производители переходят на USB Type-C, понимая, что данный шаг сильно упростит работу с ними.

Стандарты

Как это часто бывает при внедрении новых технологий, особенно тех, которые обладают огромным потенциальным доходом, разрабатываются многочисленные (часто несовместимые) стандарты, которые, с одной стороны служат для развития технологии, а с другой - затормаживают прогресс до тех пор, пока не появится действительно универсальное решение.

На рынке беспроводных зарядок действуют два отраслевых альянса и два стандарта. Первый из них, Wireless Power Consortium (WPC) был основан в 2008 году и поддерживает стандарт Qi (произносится как «ци») для беспроводной зарядки (см. рисунок 16). WPC проверяет соответствие продукции через сеть авторизованных лабораторий. С технической точки зрения Qi является индуктивным стандартом, на текущий момент считается основным стандартом, который поддерживается 230 ведущими компаниями и используется в 80% всех беспроводных зарядных приемников. Данный стандарт поддерживает малую и среднюю мощности зарядки. Таким образом, маломощные зарядные устройства будут заряжаться с максимальной выходной мощностью до 5 Ватт, а вот средние примерно до 120 Ватт. По задумке WPC с такой мощностью можно будет заряжать планшеты и даже ноутбуки. Помимо энергии, Ци также может передавать информацию со скоростью до 2 Кбит / с. Обмен данными в процессе зарядки почти непрерывен и служит не только для проверки совместимости стандартов, но также для установки разных режимов или для завершения процесса зарядки. Также стоит отметить, что Qi работает в диапазоне частот от 100 кГц до 205 кГц [7].

Рисунок 16. Стандарт Qi

Альянс Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP) были сформированы как отдельные организации в 2012 году (см. рисунок 17). PMA в первую очередь была ориентирована на индуктивные решения, тогда как A4WP работала на слабосвязанной резонансной технологии. Данные альянсы не были широко известны европейскому пользователю, но хорошо зарекомендовали себя в Северной Америке, где их поддерживали смартфоны и гаджеты, которые были выпущены специально для США [8].

Рисунок 17. Стандарт PWA



В июне 2015 года две организации были официально объединены, а позднее в том же году были переименованы в Альянс AirFuel (см рисунок 18). Благодаря слиянию количество организаций (и конкурирующих стандартов) сократилось с трех до двух, что ещё на шаг приблизило к созданию единого, совместимого стандарта. Airfuel обладает широкой технологической платформой, включающей индуктивные, резонансные и несвязанные технологии. Индуктивная технология является относительно зрелой и применяется в миллионах устройств по всему миру. Эта технология тесной связи обеспечивает эффективность до 80% при масштабируемой зарядке для устройств с различными требованиями к питанию.

Рисунок 18. Стандарт A4WP

Таблица 3. Сравнение консорциумов в сфере беспроводной передачи энергии

Организация Характеристика	WPC	PMA	A4WP
Год основания	2008	2012	2012
Число партнеров	203+	80+	140+
Тип передачи	Inductive coupling	Inductive coupling	Magnetic resonance
Максимальная мощность передачи	5 В (10-15 В скоро)	5 В (10-15 В скоро)	вплоть до 50 В
Дистанция	короткая	короткая	средняя
Частота передачи	100 - 205 кГц	277 - 357 кГц	6.78 МГц
Последняя версия	1.1.2	PMA1.1	A4WP-S-0001 v1.2
Сертифицированные продукты	684	24	-
Количество тестовых лабораторий	10	3	2

Подытоживая, стоит отметить, что Wireless Power Consortium не собирается останавливаться на достигнутых результатах и постоянно выпускает новые спецификации стандарта, которые уже обеспечивают мощность до 1 кВт. Данной мощности должно хватить не только на зарядку мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков, но и на кухонную технику, такую как беспроводной чайник.

Выводы по главе: в данной главе были рассмотрены основные существующие методы беспроводной передачи энергии, а также проведен анализ и сделан выбран самого оптимального.

Резонансная технология AirFuel позволяет испытывать зарядку по принципу «drop and go» и предлагает значительные преимущества для пользователя по сравнению с индуктивными решениями.Одним из таких преимуществ является увеличение дальности зарядки с нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, но немного снижает КПД по сравнению с технологией Qi, которая основана на взаимоиндукции. Стоит отметить, что резонансный режим предусмотрен и в Ци, но на данный момент не получил широкого распространения [9]. В Таблице 3 представлено сравнение консорциумов в сфере беспроводной передачи энергии, о которых шла речь выше.



2. Теоретическая часть

2.1 Принцип работы беспроводного устройства

Беспроводная зарядка мобильного телефона или любого другого гаджета происходит за счет возникновения переменного магнитного поля между передатчиком и приемником. Для осуществления подзарядки в состав приемного устройства должна входить индукционная катушка, принимающая передаваемую энергию.

Как было сказано ранее, стандарт беспроводного питания был разработан консорциумом беспроводной электромагнитной энергии Wireless Power Consortium (WPC) и называется Qi (в русской транскрипции произносится как «ци»). WPC предприняли попытку объединить мировых производителей беспроводных зарядок путем стандартизации процесса зарядки мобильных устройств индукционным методом.

Можно выделить несколько наиболее известных беспроводных способов передачи энергии, среди которых наибольшее распространение получил метод на основе использования явления электромагнитной индукции. На рисунке 19 изображено разделение беспроводной передачи энергии на ближнюю и дальнюю зоны и на электромагнитное излучение и электромагнитную индукцию соответственно.

Рисунок 19. Беспроводная передача электроэнергии



Из рисунка 20 можно увидеть разделение области распространения электромагнитного поля на ближнюю и дальнюю зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Первая из них, ближняя зона, также называется зоной индукции, заключается в расстоянии, которое не превышает л/2р, где л - это длина волны. По мере роста расстояния зона индукции перетекает в зону излучения, на границах которых различают промежуточную зону [10].

Рисунок 20. Ближняя и дальняя зоны

Протяжённость ближней зоны можно рассчитать исходя из выражения (3.1.1):

,

где с - скорость света, равная 3108 м/с, f - частота распространения волны;

Таким образом, если частота распространения электромагнитной волны будет в районе 10 МГц, тогда протяженность ближней зоны будет составлять 30 метров.

Основное различие между двумя областями распространения электромагнитного поля заключается в частотном диапазоне и дальности передачи. При передаче мощности в ближнем поле резонансная частота изменяющегося электромагнитного поля относительно мала (около одного мегагерца), а расстояние передачи составляет всего несколько сантиметров. Более высокие частоты в диапазоне гигагерц используют более длинные расстояния, которые попадают в дальнюю зону [11].

Передача энергии с использованием микроволн работает в так называемой дальней зоне на большие расстояния. В дальней зоне мощность зарядки уменьшается обратно пропорционально квадрату расстоянию между передатчиком и приемником. Если передающая антенна и приемная антенна не поддерживают технику передачи в дальней зоне, то поглощение излучения приемником не оказывает влияния на излучатель. Передача энергии в ближней зоне имеет более высокую эффективность передачи по сравнению с передачей в дальней зоне. Емкостная связь в значительной степени зависит от доступной площади устройства. Тем не менее, из-за низкой эффективности зарядки и проблем безопасности дальняя зона не используется при зарядке портативных устройств с низким энергопотреблением [12, 13].

Так как в большинстве зарядных устройств взято явление электромагнитной индукции, то можно сказать, что в большинстве случаев основа работы беспроводного устройства заключается в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. При подаче питания на индукционную катушку передатчика в ней возникает магнитное поле перпендикулярно виткам катушки и таким образом, при расположении двух катушек на достаточно близком расстоянии (в радиусе действия магнитного поля), тогда во второй катушке появится напряжение. Стоит отметить, что две индукционно связанные катушки не должны соприкасаться между собой. Именно такой просто принцип лежит в основе работы беспроводных зарядных устройств на основе стандарта Qi.

Если посмотреть на рисунок 21, то на нем представлена система из двух индукционно связанных катушек, одна из которых является источником энергии (первичная катушка L1), а другая является приемником (вторичная катушка L2). При наличии в непосредственной близости двух катушек в обмотке первичной катушки протекает переменный ток, что порождает магнитное поле (Фi,о), создающее напряжение во вторичной катушке согласно закону Фарадея-Максвелла. В дальнейшем напряжение на приемной катушке может быть преобразовано в необходимое и подано на мобильное устройство, для которого предполагалось осуществить зарядку данным способом. При увеличении расстояния между двумя катушками часть энергии рассеивается и перестает достигать приемную катушку, из-за чего понижается КПД зарядки гаджета. Отсюда можно сделать вывод, что мощность беспроводной зарядки обратно пропорциональна расстоянию между двумя катушками [14, 15].

Рисунок 21. Наглядный принцип действия беспроводных зарядных устройств

Индуктивная связь между двумя катушками может оцениваться такой характеристикой, как коэффициент индуктивной связи k, который высчитывается исходя из следующего соотношения (3.1.2):



,

где M - взаимная индуктивность элементов цепи;

L1, L2 - индуктивности катушек в цепи передатчика и приемника соответственно [16].

Коэффициент связи является безразмерной величиной, которая определяет взаимодействие между первичной и вторичной катушками любой беспроводной системы передачи энергии. Более высокий коэффициент связи означает более эффективную передачу мощности за счет уменьшения потерь магнитного потока и меньшего нагрева.

В тесно связанных системах катушки передатчика и приемника подбираются так, что имеют одинаковый диаметр и располагаются на минимальном расстоянии между ними. Такое расположение гарантирует, что большая часть магнитного потока будет достигать приемной катушки для дальнейшего преобразования в электрический ток.

Слабосвязанные системы не улавливают весь магнитный поток передатчика, главным образом потому, что расстояние между приемной катушкой слишком велико или потому, что диаметры катушек не совпадают. Такая слабосвязанная система также может получиться, если приемная катушка меньше передающей катушки (см. рисунок 22) [17].

Рисунок 22. Рассеивание магнитного поля при разных расположениях катушек



Таким образом, было определено, что коэффициент связи зависит от множества факторов, таких как соотношение диаметров первичной и вторичной катушек, дистанция между двумя катушками, смещение вторичной катушки относительно центра передающей катушки, а также их формы.

Изменение коэффициента индуктивной связи между двумя катушками может быть достигнуто путем перемещения передающей катушки относительно приемной, в следствие чего значение k может варьироваться от 0 (нет связи между катушками) до 1 (жесткая связь катушек). Значение, равное единице, указывает на идеальную связь, то есть весь генерируемый поток проникает в приемную катушку. Если значение стремится к нулю, то это означает, что в такой системе почти полностью отсутствует согласование между передающей и приемной катушкой.

Рисунок 23. Зависимость коэффициента k от смещения катушек

Коэффициент связи определяется расстоянием между катушками и их относительными размерами. Данный показатель также зависит от формы катушек и угла между ними. Осевое смещение сильнее всего влияет на ухудшение передачи энергии. График ниже (см. рисунок 23) показывает влияние горизонтального и вертикального смещения на коэффициент связи. Коэффициенты связи в диапазоне от 0,32 до 0,65 очень распространены. Отрицательный коэффициент связи означает захват магнитного потока сзади [19].

На рисунке ниже (см. рисунок 24) представлена передающая и приемная катушки, причем линиями показано распространение магнитного поля от первичной. Как можно увидеть из рисунка, часть передаваемого магнитного потока захватывается вторичной катушкой, но небольшая часть все же рассеивается.

Рисунок 24. Рассеивание магнитного поля

Общий магнитный поток, захваченный вторичной катушкой, может быть выражен уравнением (3.1.3):

В данном выражении B взято в качестве плотности магнитного потока, создаваемого первичной катушкой, а S - площадь поверхности вторичной катушки. В соответствии с законом индукции Фарадея индуктивное напряжение во вторичной катушке определяется уравнением (3.1.4):

В уравнении выше Фm(t) общий изменяющийся во времени магнитный поток, пересекающий вторую катушку. Согласно закону Фарадея, индукционный ток направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток (правило Ленца). Поскольку индуцированное напряжение и ток вырабатываются на вторичной катушке, можно отметить, что мощность успешно передается. Это основной принцип работы беспроводной передачи энергии или индуктивной связи [19].

Помимо последовательных и параллельных цепей, в радиотехнике также используются связанные контуры. В этих контурах может быть так называемая индуктивная связь (трансформатор или автотрансформатор) или емкостная. Чтобы улучшить показатель эффективности передачи энергии между двумя связанными контурами можно использовать резонансные контуры с индуктивной связью. На рисунке 25 представлена эквивалентная схема системы двух индуктивно-связанных катушек.

Рисунок 25. Упрощенная эквивалентная схема

Эффективность системы на частоте резонанса (3.1.5) определяется как:

,



где PL - мощность на нагрузке RL1 (3.1.6), а P1 мощность на резисторе R1.

,

где RL1 - нагрузка, щ0 - резонансная частота, М - взаимная индуктивность.

Рисунок 26. Передатчик энергии

Рисунок 27. Приемник энергии

Также существует такой показатель, как коэффициент качества QM, который по-другому иногда называется эффективной добротностью системы (3.1.7):

где Q1 и Q2 - добротность резонансных контуров.

Рисунок 28. График зависимости эффективности системы от коэффициента качества

Как видно из приведенного выше графика (см. рисунок 28), показатель эффективности системы на резонансной частоте является монотонно возрастающей функцией, которая асимптотически приближается к единице.

Выводы по главе: В данной главе были рассмотрены основные характеристики индуктивно связанных систем и сделаны выводы о том, что зависимость эффективности передачи энергии в первую очередь заключается в коэффициенте связи между двумя катушками и их добротности. Чтобы повысить эффективность беспроводных зарядных систем, следует использовать резонанс, за счет которого можно увеличить КПД и дальность передачи энергии. Различают сильносвязанные (k ? 1) и слабосвязанные (k < 0.1) системы беспроводной зарядки в зависимости от величины коэффициента связи.

...