Системи за безжично електрозахранване

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2011

Стремежът за създаване на все повече удобства на потребителите на електронни устройства и за улесняване на техния монтаж и поддръжка е сред основните приоритети на производителите. Затова не е учудващо, че се търсят начини за създаване на изцяло безжични апаратури, а не само наричани така и на практика захранвани с кабел от електрическата мрежа или включвани периодично към нея за зареждане чрез адаптер. Освен по-бързото свързване, безжичното захранване (Wireless Power) изисква минимално внимание за осъществяването му и не пречи, както кабела, на придвижването на устройството по време на използването му.

В настоящия материал се описва действието на различните видове съвременни системи за безжично захранване, техните характерни приложения и перспективи за развитие.

Вместо увод

Изцяло безжичните устройства са несъмнено най-удобни за ползване, тъй като не са свързани чрез кабели с други апаратури. Сред масово използваните са захранваните от батерии, но необходимостта от периодичната им замяна често е не само неудобна, но в много случаи - трудоемка и скъпа. Характерен пример са безжичните сензори на труднодостъпни места. От друга страна, при монтаж на апаратура, на подходящото място не винаги има електрически контакт и често се налага ползването на дълъг захранващ кабел. Той създава сериозни неудобства при захранването на подвижни устройства, например, роботи в промишлени предприятия, или дори домашните прахосмукачки. Тези неудобства, както и някои други сериозни проблеми, могат да бъдат избегнати чрез безжично захранване. Независимо че то е в сравнително начален етап на своето развитие, вече се чертаят смели прогнози за неговото бъдеще.

Идеята за безжично доставяне на електрическа енергия не е нова. Още в края на XIX век Никола Тесла разработва с такава цел мощен радиопредавател, но в даден етап спонсорите му прекратяват финансирането – по непотвърдени сведения причината е била несъгласието им да се доставя безплатна енергия. Следват многобройни други опити, за да се достигне до три съвременни системи със своите области на приложение и четвърта в лабораторен стадий, но с големи надежди за бъдещо развитие.

Система с електрически контакт

Нейните разновидности са предназначени за зареждане на акумулаторите на портативни устройства (напр. мобилни телефони) и строго погледнато не са безжични. Зарядното устройство представлява захранвана от мрежата плоча (pad) със стабилизиран токоизправител и подходящо реализирана проводяща повърхност. Задният капак на устройството за зареждане се заменя с друг, предлаган от производителя на плочата, съдържащ електрически контакти и често наричан “кожа” (skin). Когато устройството се постави върху плочата на произволно място и в произволно положение, се осъществява електрически контакт за започване на зареждането. Постоянното напрежение и максималният ток от плочата са с типични стойности, съответно, 15 V и 1 А, като могат едновременно да се зареждат до 4 или 5 устройства. Плочите имат няколко допълнителни функции за улесняване на използването им, например автоматично преминаване в режим “очакване” (Sleep Mode) при липса на устройство за зареждане (така плочата може да бъде постоянно свързана към мрежата и да консумира много малко енергия) и също автоматично изключване при допир с ръка или метален предмет на тяхната повърхност. В документацията на плочите се дава списък на устройствата, за които се предлагат задни капаци. Съществуват и зарядни устройства за поставяне върху плочите, които от своя страна чрез кабел с USB куплунг се свързват към зарежданото устройство, като обикновено му осигуряват напрежение 5 V и ток до 0,5 А. Сред перспективите на този тип захранване е производството на устройства с готов капак за зареждане.

Високочестотни системи

Действието им се основава на преобразуването на енергията на високочестотно електромагнитно поле в постояннотокова. Използват се за зареждане от разстояние на акумулатори или суперкондензатори в портативни устройства (например за обмен на данни и дисплеи с малка консумация) и за осигуряване на работата на прибори без собствено захранване, най-често безжични сензори. Тези и подобни приложения обхващат климатични и охранителни системи, управления в енергетиката и автоматизацията на индустриални предприятия, машини в селското стопанство, миниатюрни медицински прибори за контрол и поддържане на жизнените функции, системи в отбраната. Един пример е захранването на всички стенни и настолни часовници в офис сграда.

Използваният честотен обхват е 850-950 MHz, а електромагнитното поле е това на съществуващите предаватели от комуникационните мрежи или е създадено от собствения предавател на системата. В последния случай се работи в ISM обхвата 902-928 MHz, където не е необходимо лицензиране. Не трябва да се забравя, че мощността на електромагнитната вълна е обратнопропорционална на квадрата на разстоянието между предавателя и приемника. Поради това, при желание за използване на такава система в места, отдалечени от съществуващи предаватели, може получаваната мощност да се окаже недостатъчна за осигуряване на захранването. От друга страна, при собствен предавател на системата, неговата необходима мощност нараства значително при разположени на голяма площ приемници. Предлаганите на пазара предаватели осигуряват покритие в радиус докъм 25 m.

Идея за структурата на приемник е дадена на фиг. 1, като с прекъсната линия е оградена неговата специализирана интегрална схема. Външната антена Ant е свързана на входа RFIn и енергията от нея се преобразува в постоянно напрежение от блока RF-DC. При показаното положение на ключа S, което зависи от логическото ниво на входа D, напрежението се оказва приложено на изхода Out. За изключването му, например при напълно зареден акумулатор, логическото ниво на D се сменя, положението на S също и енергията се разсейва върху резистора R. При замасяване на извод А, блокът VМ установява определено изходно напрежение, по подобен начин чрез извод В се получава друго напрежение, а ако между извод С и маса се свърже резистор, неговото съпротивление задава стойността на изходното напрежение. Нормалната работа на приемниците се гарантира при напрежение на входа им между 70 и 300 mV (в зависимост от интегралната схема), а на изхода се получава не по-малко от 70% от постъпващата на RFIn енергия.

Специфична разновидност е система за зареждане на акумулаторите на електрически фенерчета чрез поставянето им до собствения предавател. Тялото им и това на предавателя са пластмасови, приложенията са в среда с висока степен на замърсяване (напр. нефтодобив и нефтопреработка), при силна запрашеност (циментови и др. подобни заводи) и при опасност от корозия на металните части (в корабоплаването).

Нискочестотна система

Предназначена е за зареждане на акумулаторите на преносими електронни устройства. Състои се от подложка (Base Station, Charging Pad, Powermat), действаща като предавател и включвана към електрическата мрежа и поставени върху нея едно или повече, еднакви или различни устройства с вграден приемник. Основните приложения са за мобилни телефони, GPS устройства, фотоапарати и други. Прехвърлянето на енергия от електрическата мрежа в устройството става на принципа на свързаните трептящи кръгове, известен като индуктивна връзка (Inductive Coupling, Near-Field Magnetic Induction) – единият кръг е в подложката, а другият е в зарежданото устройство. За максимално прехвърляне на енергия, разстоянието между бобините на кръговете трябва да е не повече от 5 mm, което се постига чрез подходяща конструкция на подложката и устройствата. И тук обикновено до около 70% от консумираната енергия от мрежата достига до акумулатора.

Структурата на системата заедно с протокола за прехвърляне към предавателя на данни за състоянието на приемника са разработени под формата на стандарт от основания през 2008 г. Консорциум за безжично захранване (Wireless Power Consortium) WPC, в който влизат над 50 фирми от Европа, Азия и Америка. Резултатът е универсалността на системата – произведена където и да е в света подложка в съответствие със стандарта може да зарежда акумулаторите на едно или повече устройства от произволен тип с обща мощност до 5 W, съдържащи приемник от системата. Така се избягва неудобството на съществуващите до момента подобни системи, при които за всеки тип зареждано устройство е необходима специфична подложка. Към това предимство се прибавят още няколко:

n При включване към мрежата, подложката се установява в режим “Очакване” с нищожна консумация, периодично проверява за наличието на устройство за зареждане и се включва, само когато то се постави върху нея. Така консумацията й в неработещ режим е значително по-малка от тази на оставяните постоянно включени в мрежата класически адаптори. Икономията на електроенергия в световен мащаб при масово въвеждане на системата е значителна, тъй като според някои изследвания излишно консумираната от адапторите енергия е по-голяма от доставяната по време на зареждане. Един прост пример е следният. Класически адаптор за мощност 2 W консумира средно 0,14 W без да зарежда и има типична ефективност 70%, при което в режим на ежедневно едночасово зареждане, консумира годишно 2218 Wh. Безжична система при консумация без зареждане от 20 mW при същите мощност и ефективност консумира 1211 Wh или с около 1 kWh по-малко. При 2 милиона адаптора у нас (ако останалите не се държат постоянно включени), годишната икономия е 2000 MWh и тя нараства на 4000 MWh, ако безжичната система се използва за зареждане на 2 устройства от същия тип.

n Зарежданото устройство непрекъснато подава към подложката данни за своето състояние, с което променя подаваната от нея енергия и осигурява максимална ефективност на зареждането.

n При наличие на метален предмет върху подложката или между нея и устройството, тя автоматично се изключва за предпазване от повреда.

На фиг. 2 е дадена блоковата схема на системата. Токоизправителят ТИ1 осигурява постоянното напрежение за работата на инвертора, който от своя страна генерира правоъгълни импулси за захранване на последователния трептящ кръг Lp-Cp. По принцип Lp е плоска бобина с феритна сърцевина, заден екран и две възможни конструкции. Първата представлява единична бобина, което налага поставяне на зарежданото устройство в точно определено положение спрямо нея, т. е. върху подложката. За целта има подходящи механични водачи. Втората конструкция е от множество бобини (идея за нея е дадена на фиг. 3) и позволява произволно положение на устройствата върху подложката. Мониторът измерва тока или напрежението на трептящия кръг и чрез Контролер 1 въздейства върху инвертора за промяна на работната честота между 110 и 205 kHz и на коефициента на запълване от 10% до 50%.

При наличие на устройство за зареждане, то изпраща в съответствие със специално създадения протокол пакет от импулси, предавателят се включва с честота 175 kHz и коефициент на запълване 50%, и зареждането започва. Очевидно е, че устройства без приемник не могат да бъдат зареждани. Токоизправителят ТИ2 преобразува напрежението от трептящия кръг Lr-Cr1-Cr2 (бобината Lr също е плоска) в постоянно, а зарядният блок осигурява на изхода си напрежение 5 V. Необходимото количество енергия на акумулатора се определя от Контролер 2, който въздейства на ТИ2 и/или на трептящия кръг в приемника. Резултатът е промяна на приведения импеданс в трептящия кръг на предавателя, а оттам на резонансната му честота. Промяната се регистрира от Контролер 1, който, съответно, променя коефициента на запълване. Принципът е да се намалява подаваната мощност чрез увеличаване на честотата и намаляване на коефициента на запълване. По време на самото зареждане приемникът изпраща пакети от импулси през интервали от 30 до 250 ms (по-малките интервали са при предаване на по-голяма мощност), а предавателят подава енергията също в пакети, но през 5s. При пълното зареждане на акумулатора или при отстраняване на устройството предавателят изчаква 1,25 s и преминава в режим “Очакване”.

Полезно е да се има предвид, че вече се предлагат интегрални схеми (макар и все още твърде малко типове) за реализацията на предавателите и приемниците, включително специализирани микроконтролери. От друга страна може зарежданите устройства на системата да позволяват работа и с класически адаптор, стига това конструктивно да е предвидено при реализацията им.

Резонансна система за дистанционно захранване

Първите стъпки в този най-нов тип са направени през 2006 г. в Масачузетския технологичен институт в САЩ. С две бобини с диаметър 60 cm са реализирани трептящи кръгове с еднаква резонансна честота от 10 MHz (при последните експерименти тя е намалена на 6,4 MHz) и при разполагането им на разстояние 2 m е осъществено предаване чрез магнитно поле на електрическа енергия – при консумирана мощност от предавателната бобина 150 W в приемната са се получили 60 W, т. е. ефективността на пренасянето е била 40%. Този безжичен начин за пренасяне е наречен от създателите Witricity (от Wireless Electricity) и силно се различава от класическото пренасяне на енергия чрез използваните във високочестотните системи електромагнитни вълни. Чрез еднаквите резонансни честоти на трептящите кръгове е реализиран известният от други области далечен резонанс (Long-lived resonance), благодарение на който енергията се разпространява под формата на насочен сноп между двете бобини, а не се излъчва в цялото пространство. Друга важна особеност и предимство е, че неизползваната от захранваното устройство енергия се поглъща обратно от предавателната бобина, т. е. ефективността зависи само от загубите на енергия в блоковете на предавателната и приемната част.

Магнитното поле е безопасно за живите организми и човека, и не се влияе от намиращи се в него метални предмети. Това определя принципната възможност за пренасяне на голяма енергия на значително разстояние. Засега в лабораторни условия то е увеличено до 5 m, а един от големите производители демонстрира безжично захранване с ефективност 60%, захранващо HDTV телевизионен приемник на разстояние 80 cm. Според специалисти от водещи фирми, може да се очаква, че през 2050 г. всички прибори ще са изцяло с безжично захранване.

Блоковата схема на резонансна система за дистанционно захранване на постояннотоков товар е показана на фиг. 4, докато в такава за променливотоков товар липсват ТИ, ПР и евентуално - СУ2. Първите практически приложения се очаква да бъдат за захранване на различни електронни устройства.

Оптични системи

Използват се за захранване на апаратури, като необходимата им енергия се доставя от предавател чрез невидим инфрачервен лъч, а приемникът го превръща в постоянно напрежение или напрежения. Предимство спрямо системите с електромагнитни вълни е, че енергията на лъча не намалява с увеличаване на разстоянието между предавателя и приемника в захранваната апаратура. Излъчвателят винаги е лазерен диод или система от лазерни диоди за осигуряване на максимално тесен лъч, за да може и на значително разстояние върху фотодиода в приемника да попада достатъчна част от него. Недостатък е необходимостта от оптична връзка между предавателя и апаратурата (между тях не трябва да има непрозрачни предмети).

Оптичните системи за жилища и офиси обикновено са три категории в зависимост от доставяната мощност – маломощни (до 0,1W), средномощни (0,1-2,5W) и мощни (2,5-10W), които осигуряват захранване на разстояние до 30 m. Работещият приемник изпраща маломощен също инфрачервен лъч към предавателя, за да се потвърди установяването на връзка помежду им. Мощностите в двата лъча са безопасни за хора и животни, независимо от което, ако бъдат пресечени, излъчването от предавателя автоматично спира. Това налага приемникът да има собствено резервно захранване от акумулатор или суперкондензатор. Системите осигуряват на постояннотоковия си изход между 15% и 30% от консумираната от предавателя енергия, като се очаква увеличаване до 35%. Приложенията са за устройства с дистанционно управление, за безжични сензори, термостати, детектори на дим и тонколони, за компютърни системи и телевизионни приемници.

На същия принцип работят системите за захранване на безпилотни летателни апарати (преди всичко самолети), използвани за наблюдения и комуникационни връзки и действащи реално като евтини спътници с ниска геостационарна орбита. Разликите са, че доставяната мощност е много по-голяма (от порядъка на 1 kW) и че по времето, докато апаратът е в зоната на действие на неподвижния лъч, се зареждат акумулаторите. Захранваният апарат може да лети на височина между 250 m и 18 km. Ефективността на тези системи е около 20%, като се очаква увеличаването й до 25%. Основното предимство е липсата на слънчеви батерии, които намаляват полезното тегло на апаратите. Подобни са системите за непрекъснато захранване на отдалечени обекти (Point-to-Point Link), например разположени в планината, пустинята и други труднодостъпни места.





Top