Технология беспроводной зарядки

Введение

В статье с таким названием нельзя обойти вниманием легендарного ученого Никола Тесла. Без преувеличения можно сказать, что воплощению идеи передачи электрических сигналов и электроэнергии без использования проводов была посвящена вся его экспериментаторская деятельность. На рисунке 1 приведена фотография башни, воздвигнутой в Нью-Йорке для реализации одного из его проектов (Wardenclyffe) по передаче электрических сигналов в Европу. Башня имела высоту 57 м, под ней располагалась стальная шахта глубиной 36 м. Башню венчал металлический купол диаметром 20 м и массой 55 тонн.

Рис. 1. Башня Wardenclyffe

Оборудование беспроводной зарядки аккумуляторов относится к широкому классу устройств, известных под общим названием энергособиратели (Energy Harvesters). Это сравнительно новое направление в электронике, в первую очередь актуальное для систем, при эксплуатации которых замена батарей осложнена или просто невозможна, но при этом требуется обеспечить их непрерывную работу в труднодоступном для потребителя или обслуживающего персонала месте.

Энергособиратели предназначены для преобразования энергии разных источников, представленной в различных формах (механической, тепловой, оптической, электромагнитной и т.д.) в электрическую энергию. Сбор энергии, ее накопление и использование для питания электронных систем позволяет обеспечить более продолжительную работу, значительно превышающую срок службы одноразовых элементов питания. Не исключается и возможность комбинирования различных источников энергии (тепловой, механической и других видов).

Для сбора энергии в энергособирателях используются разные технологии преобразования. Например, для использования энергии вибрации применяются пьезоэлектрические преобразователи, для аккумулирования солнечной энергии – фотоэлектрические, для тепловой – термоэлектрические. Таким образом, энергособиратели – это устройства, обеспечивающие преобразование различных видов энергии в напряжение или ток для питания приборов и устройств, а также для зарядки аккумуляторов. В последние годы на потребительском рынке все большую популярность приобретает технология беспроводной зарядки аккумуляторов с использованием разных способов беспроводной (бесконтактной) передачи электроэнергии с применением искусственных электромагнитных источников.

Способы беспроводной зарядки

Термин «беспроводная передача электроэнергии» – всеобъемлющ и касается множества разнообразных сфер применения, в т.ч. и беспроводной зарядки аккумуляторов. В статье рассматриваются лишь коммерчески выгодные для массового применения решения (а не фантастические «гиперболоиды» и установки, генерирующие энергию, сравнимую с той, которая могла бы вызвать последствия, сопоставимые с падением тунгусского метео­рита). В последние годы производители и потребители обратили внимание на возможность беспроводной передачи электроэнергии в приложениях, ориентированных на массового потребителя, в первую очередь, на технологию беспроводной зарядки аккумуляторов.

Возможные варианты технологии беспроводной передачи электроэнергии, используемые для зарядки аккумуляторов, представлены на рисунке 2. Принимая во внимание кажущуюся «вездесущность» электромагнитных волн, излучаемых множеством радиочастотных передатчиков (телебашнями, антеннами сотовой связи и точек Wi-Fi-доступа и т.д.), представляется заманчивым использовать для зарядки «свободную энергию из воздуха».  Однако этой свободной энергии явно недостаточно, а устройства сбора, учитывая реалии, вряд ли будут коммерчески привлекательными.

Рис. 2. Технологии беспроводной передачи электроэнергии, используемые для зарядки

Тем не менее, компания Powercast Corporation (США) одна из немногих выпускает электронные компоненты для реализации беспроводной передачи энергии с использованием электромагнитного излучения в частотном диапазоне 850…950 МГц. Это передатчик TX91501 и приемники P1110/P2110. Основные сферы их применения: беспроводная зарядка, строительная автоматизация, медицина, промышленный мониторинг, маломощная электроника, интеллектуальные сети и беспроводные датчики.

Передатчик TX91501 имеет размеры 171,45×158,75×41,4 мм (масса 450 г). Источник питания – 5 В/1 А. Излучение осуществляется на центральной частоте 915 МГц с применением технологии расширения спектра методом DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Выходная мощность – 1 или 3 Вт. На рисунке 3 приведена область покрытия передатчика TX91501 (3 Вт). Для обмена данными с приемником используется амплитудная манипуляция вида ASK (Amplitude Shift Keying). Передатчик TX91501 предназначен для работы в диапазоне температур –20…50°С.

Рис. 3. Область покрытия передатчика TX91501 (3 Вт)

Интегральные схемы (ИС) приемников P1110/P2110 предназначены для преобразования энергии радиочастотного излучения в диапазоне 902…928 МГц в напряжение. Для работы приемников необходима антенна с волновым сопротивлением 50 Ом. Основные параметры ИС P1110/P2110 представлены в таблице 1. Структурная схема P2110 приведена на рисунке 4, график зависимости КПД от уровня входной мощности – на рисунке 5. Цена ИС P2110 – 28,76 евро (Mouser Electronics).

Таблица 1. Основные параметры интегральных схем P1110/P2110

Параметр	P1110		P2110
	мин.	макс.	мин.	макс.
Входная мощность, дБм	0	20	-10	10
Частота, МГц	902	928	902	928
Выходное напряжение, В	0	4,2	1,8	5,25
Выходной ток, мА	–	50	–	50
Диапазон рабочих температур, °C	–40…85
Габариты, мм	14×11		14×13,5

 

Рис. 4. Структурная схема ИС P2110

Рис. 5. График зависимости КПД от уровня входной мощности

Однако в настоящее время наибольшее распространение получили устройства беспроводной зарядки, в которых для передачи энергии используется индуктивная связь. Вначале на рынке появились устройства, в основу создания которых положен метод магнитной индукции (Magnetic Induction, MI), а в последнее время ряд компаний готовится приступить к производству устройств, в которых используется магнитно-резонансный метод (Magnetic Resonant, MR). Далее в статье рассмат­риваются устройства, реализованные на базе двух названных методов.

Системы беспроводной зарядки

Для успешного внедрения новой технологии в электронику массового спроса новые устройства, предназначенные для замены существующих, должны иметь более привлекательные потребительские качества:

• устройства должны быть более удобными в эксплуатации хотя бы за счет отказа от «паутины» проводов питания или устранения необходимости замены батарей;
• устройства должны быть более надежными, что обеспечивается исключением отказов электронных систем, вызванных использованием разъемных соединителей и проводов питания;
• устройства должны быть экологически чистыми благодаря отказу от применения одноразовых батарей. Использование сетевой беспроводной структуры для передачи энергии намного дешевле и кроме того не приведет к загрязнению окружающей среды, как это происходит при производстве и использовании батарей, основанных на традиционных химических источниках электроэнергии;
• должна быть повышена безопасность пользования устройствами, что достигается исключением проводов и разъемов, которые могут стать источниками искрообразования. Кроме того, отсутствие разъемов позволяет реализовать устройства в водонепроницаемом и взрывозащищенном исполнениях;
• устройства должны быть недорогими. Предполагается возможность зарядки нескольких приборов от одного устройства.

Кроме того, устройства, поддерживающие беспроводную передачу электроэнергии, должны обеспечивать работу в диапазоне мощности от менее 1 Вт (беспроводные датчики и маломощные электронные устройства) до более 3 кВт (промышленные системы и электрические транспортные средства) как в режиме непосредственного использования (например, в светодиодных светильниках), так и в режиме накопления энергии в аккумуляторах интеллектуальных гаджетов, транспортных средств и т.д.

Сферы применения

Одна из сфер применения, которой, по сути, обязано название технологии – беспроводные зарядные устройства. Многие из нас давно являются владельцами смартфонов, планшетных компьютеров, мобильных телефонов, цифровых фото- и видео­камер и прочих интеллектуальных гаджетов. Одна из проблем потребителей – переход к универсальным зарядным устройствам, поскольку их владельцам в настоящее время приходится пользоваться разнотипными адаптерами и зарядными устройствами из-за различий в электрических характеристиках и конструкциях устройств разных производителей. Ожидается, что внедрение универсального зарядного устройства избавит пользователей от необходимости замены старого в случае приобретения новой модели мобильного телефона или другого высокотехнологичного устройства. Кроме того, это позволит уйти от проблем распутывания «паутины» проводов в поисках нужного зарядного устройства при необходимости заряжать несколько разных устройств одновременно.

Беспроводные зарядные устройства могут успешно применяться и в промышленности (см. рис. 6).

Рис. 6. Сферы применения беспроводных зарядных устройств

В медицине беспроводные системы зарядки можно использовать совместно с разнообразными имплантируемыми устройствами: кардиостимуляторами, инфузионными насосами и т.д. При этом исключается необходимость хирургического вмешательства для замены используемых в них элементов питания.

Еще один из примеров «имплантированных» устройств, расположенных в труднодоступных местах, – это системы контроля давления в шинах, в которых датчики давления и устройства, обеспечивающие беспроводную связь, устанавливаются в колесе и питаются от батарей. Источники питания нуждаются в периодической замене, что может осложнить или помешать нормальной работе систем. Во многих других устройствах, также исключающих вмешательство человека в процесс работы и предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях, единственной альтернативой одноразовым элементам питания остается применение аккумуляторов и беспроводных зарядных устройств.

Беспроводные системы зарядки можно использовать и для зарядки аккумуляторов электромобилей. В этом случае необходимо обеспечить эффективную передачу мощности более 3 кВт на расстояние 10–20 см. Для выполнения зарядки индуцированным способом достаточно установить автомобиль над передатчиком, и процесс зарядки начнется автоматически. Ожидается, что использование беспроводной зарядки будет способствовать росту популярности таких транспортных средств среди потребителей.

В качестве источника энергии для светодиодного освещения в помещении также можно использовать беспроводные системы передачи электроэнергии. В этом случае перед дизайнерами архитектурного светодиодного освещения открываются широкие возможности реализации новых решений для подвесных светильников, которые, как может показаться, «парят» в воздухе. В таком случае для единичных светильников достаточно передавать мощность около 10 Вт. В более сложных решениях необходимы дополнительные ретрансляторы.

Технологию беспроводной передачи электроэнергии можно использовать в изделиях военного назначения для повышения надежности, эргономичности и безопасности электронных устройств. В их числе могут быть также военные каски, электронные устройства которых питаются от аккумулятора, расположенного в форменном жилете солдата, что устраняет необходимость проводов или одноразовой батареи.

Альянсы, стандарты, производители

На протяжении последних лет организации по стандартизации и промышленные консорциумы активно занимались разработкой стандартов и спецификаций, связанных с беспроводной передачей энергии. Одним из важных аспектов, учитываемых при выработке стандартов, является коммерциализация. Один из комитетов, входящих в ассоциацию инженеров автомобилестроения (Society of Automotive Engineers, SAE), представил стандарт для беспроводной зарядки электромобилей и гибридных электротранспортных средств (автомобилей и автобусов). Разработкой стандартов занимаются также авторитетные международные и региональные организации по стандартизации. В их числе – международная электротехническая комиссия (МЭК), немецкая комиссия по электрооборудованию, электронике и информационным технологиям, японский научно-исследовательский институт автомобильной промышленности.

Ассоциация потребителей электроники (Consumer Electronics Association, CEA) также принимает активное участие в разработке стандартов, при этом главный акцент делается на применении технологии в потребительских приложениях. В ассоциации CEA создано несколько рабочих групп по разработке стандарта, в т.ч. WG4 и WG5. Рабочая группа WG4 занимается разработкой стандарта на базе MR-технологии, группа WG5 – технологии MI. Согласно классификации, предложенной CEA, основное отличие этих технологий заключается в величине коэффициента (k) связи катушек. В магнитно-резонансном методе k < 0,1 (хотя допускается также k = 1), т.е. используются слабо­связанные катушки (loosely-coupled). В индуктивном – коэффициент связи катушек должен быть как можно ближе к единице, т.е. используются сильносвязанные катушки (tightly-coupled).

Кроме того, в последние годы были созданы международные отраслевые объединения по разработке и продвижению спецификаций, а также компонентов и оборудования для беспроводной зарядки – консорциум Wireless Power Consortium (WPC), а также альянсы Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP).

В консорциум WPC, основанный в 2008 г., входит более 200 компаний (см. табл. 2). Задача консорциума – разработка спецификаций маломощных беспроводных устройств электропитания и зарядки аккумуляторов, а также соответствующей технологии. В конце 2010 г. консорциум представил первые спецификации для реализации систем беспроводной передачи электроэнергии мощностью до 5 Вт. Спецификации получили название Qi 1.0 (Quality Interface). Версия спецификаций Qi 1.1 (120 Вт) была опубликована в 2012 г.

Таблица 2. Состав альянсов WPC, PMA и A4WP

Альянс	Компании-участницы
WPC	Fairchild Semiconductor, Foxconn, Freescale Semiconductor, Huawei Technologies Co., Ltd., Infineon Technologies AG, Integrated Device Technology, Qualcomm Incorporated, Renesas Electronics Corporation, Rohm Co., Ltd., Sony Corporation, Samsung Electronics Co., Ltd., STMicroelectronics International N.V, TDK Corporation, Texas Instruments, Toshiba Corporation и т.д.
PMA	ASUSTek Computer Inc., Broadcom Corporation, Diodes Inc., Infineon Technologies AG, Integrated Device Technology, NEC, NXP, ON Semiconductor, Panasonic Corporation, Qualcomm Incorporated, Powermat Technologies (компания-учредитель), Samsung Electronics, Sharp, Sony Corporation, STMicroelectronics International N.V, Texas Instruments, Toshiba Semiconductor&Storage Products, WiTricity и т.д.
A4WP	Broadcom, Fairchild Semiconductor, Fujitsu Limited, Hitachi Chemical Co. Ltd., Integrated Device Technology, Intel, Qualcomm Incorporated (компания-учредитель), LG Electronics, NXP, Marvell, Maxim Integrated Products, Inc., ON Semiconductor, Samsung, TDK Corporation, Texas Instruments, WiTricity и т.д.

Членами созданного в 2012 г. альянса PMA являются более 100 организаций. В альянсе имеется несколько технических рабочих групп, в т.ч. Inductive Power Working Group (IPG) и Resonance Power Working Group (RPG). Первая занимается технологией передачи электроэнергии с использованием метода магнитной индукции, вторая – индуктивно-резонансного метода.

Альянс A4WP был основан в 2012 г. В январе 2013 г. альянс представил первую версию спецификаций A4WP Version 1.0 BSS (Baseline System Specification), часто упоминаемых под названием Rezence. Вместе с тем продолжается активная работа по их доработке. Предполагается, что эти спецификации составят серьезную конкуренцию более ранним спецификациям Qi и Power 2.0, предложенным альянсами WPC и PMA, соответственно.

В настоящее время активно продвигаются, по сути, две разновидности спецификаций беспроводной зарядки. Это спецификации, разработанные альянсами WPC и PMA, в основу которых положен принцип магнитной индукции (MI), а также предлагаемые альянсом A4WP спецификации, базирующиеся на использовании магнитно-резонансного метода (MR), активно продвигаемые под брендом Rezence.

В январе 2014 г. на международной выставке потребительской электроники CES-2014 консорциум WPC продемонстрировал возможности зарядных устройств, созданных на базе магнитно-резонансной технологии в соответствии с новыми модифицированными Qi-спецификациями.

Такие известные корпорации как Intel и Qualcomm Incorporated, ориентирующиеся на применение технологии беспроводной зарядки в своих мобильных устройствах, предложили собственные варианты этой технологии. Это Intel’s Wireless Charging Technology и Qualcomm’s WiPower, в которых также используется индуктивно-резонансный метод. Спецификации альянса A4WP во многом базируются на технологии Qualcomm’s WiPower. Компания IDT имеет партнерские соглашения с Intel и Qualcomm Incorporated, предусматривающие выполнение компанией IDT разработку и производство микросхем, поддерживающих эти технологии.

Компании PowerbyProxy и WiTricity, которые предлагают разнообразное оборудование для беспроводной передачи электроэнергии и уже давно заявили о себе на рынке промышленных и военных приложений, в настоящее время активно внедряют свои достижения и на потребительском рынке.

Для выпуска экономичных и портативных беспроводных зарядных устройств необходима специализированная элементная база. В настоящее время ряд компаний-производителей предлагают интегральные микросхемы и другие компоненты для реализации технологии беспроводной зарядки в конечных изделиях. В их числе Integrated Device Technology, Freescale Semiconductor, Linear Technology Cor­po­ration, NXP Semiconductor, ON Semi­conductor, Panasonic, Texas Ins­tru­ments, Toshiba и т.д.

Вопросы безопасности

Поскольку в системах беспроводной зарядки нельзя исключить электромагнитного  излучения, вполне уместен вопрос, насколько такие системы безопасны для здоровья человека и не подвергается ли он при их использовании воздействию больших и потенциально опасных электромагнитных полей.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) играет ведущую роль в разработке норм и рекомендаций относительно допустимых уровней облучения для человека. Вместе с тем имеется ряд региональных и международных организаций, которые в специ­фикациях, созданных в соответствии с рекомендациями ВОЗ, регламентируют уровни облучения. В их число входит авторитетный Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Международная комиссия по неионизирующим излучениям (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP). Одним из важнейших показателей, определяющих вредное воздействие на человека электромагнитного облучения, является уровень SAR (Specific Absorption Rate – удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии). Им определяется энергия электромагнитного поля, поглощаемая в тканях тела человека за одну секунду и вызывающая нагрев тканей. Допустимые значения удельного коэффициента поглощения, рекомендованные  Федеральной комиссией связи (Federal Communication Commission, FCC) и комиссией ICNIRP, представлены в таблице 3. Рекомендованные нормы определяют допустимые значения SAR, гарантирующие отсутствие неблагоприятных последствий для человека, независимо от возраста и состояния здоровья, при воздействии электромагнитного облучения на разные участки тела.

Таблица 3. Допустимые значения удельного коэффициента поглощения, рекомендованные FCC и комиссией ICNIRP

Организация	Удельный коэффициент поглощения (SAR), Вт/кг
	Все тело	Голова, туловище	Конечности
FCC	0,08	1,6 (1 г)	4,0 (10 г)
ICNIRP	0,08	2,0 (10 г)	4,0 (10 г)

 

В научных исследованиях и докладах, представленных как IEEE, так и ICNIRP, нет подтверждения того, что воздействие радиочастотного (до 300 ГГц) электромагнитного поля вызывает рак. Однако имеется множество доказательств того, что при электромагнитном облучении может повышаться температура тела человека или отдельных его участков (тканей, органов). Электромагнитное облучение может также воздействовать на нервную систему и стимулировать мышечные ткани. Кроме того, электромагнитные поля оказывают неблагоприятное влияние на сетчатку глаза.

В результате многочисленных исследований (IEEE, ICNIRP) было определено, что при воздействии излучения даже на самые чувствительные участки тела при среднем уровне SAR менее 4 Вт/кг негативные последствия не проявляются. Однако это может приводить к повышению температуры тела максимум на один градус при нормальных условиях окружающей среды. Тем не менее, чтобы обеспечить «запас прочности», который компенсировал бы еще неполные имеющиеся на сегодня научные данные, а также, чтобы успокоить общественное мнение, IEEE и ICNIRP рекомендовали установить значение SAR на уровне менее 0,4 Вт/кг, для работников в сфере производства, и 0,08 Вт/кг – для массового потребителя. В таблице 3 приведены рекомендованные значения SAR для некоторых участков тела человека.

Конструкция и принцип работы беспроводных зарядных устройств обеспечивают высокий уровень безопасности. Эффективный радиус действия выпус­каемых сегодня систем не превышает нескольких десятков миллиметров, а мощность электромагнитного излучения быстро затухает при удалении от источника. Поэтому беспроводные зарядные устройства не опаснее, чем ставшие привычными микроволновые печи и мобильные телефоны.

Заключение

В последние годы ряд авторитетных аналитических агентств представил прогнозы развития мирового рынка беспроводных зарядных устройств вплоть до 2020 г. И хотя они имеют отличия, согласно всем исследованиям предвидится устойчивое повышение доходов в этом сегменте рынка. Ожидается, что суммарный доход в 2018 г. составит примерно 9,95 млрд долл., а в 2020 г. – 15 млрд долл. при среднегодовом темпе роста (CAGR) в период 2013–2018 гг. от 42 до 56%. Доля рынка беспроводных зарядных устройств для мобильных телефонов в 2020 г. составит 5 млрд долл. Ожидается также рост доходов в сегменте зарядных устройств для автомобилей, который согласно прогнозам составит 4,6 млрд долл. в 2019 г. На рисунке 7 приведена диаграмма распределения роста доходов от продаж беспроводных зарядных устройств в зависимости от их назначения.

Рис. 7. Диаграмма распределения роста доходов от продаж беспроводных зарядных устройств в зависимости от их назначения

Более полную информацию о системах беспроводной зарядки можно найти в [1–6].

Литература

1. Charging batteries without wires in a compact & efficient manner. – EDN Europe, January, 2014//www.edn-europe.com.
2. Highly resonant wireless power transfer: Safe, Efficient, and over Distance. – WiTricity Corporation, 2013//www.witricity.com.
3. Magnetic induction or magnetic resonance for Wireless Charging?//Bodo’s Power Systems, January, 2013.
4. System description wireless power transfer. Volume I: Low Power. Part 1: Interface
5. Definition Version 1.1.2. June, 2013.
6. Qi Versus power 2.0: Who will win the wireless charging challenge?
7. Wireless charging still has strings attached.

Читайте также:
Физики создали «суперлинзу», позволяющую в 5 раз увеличить расстояние беспроводной передачи энергии
Создан беспроводной зарядник, раздающий энергию на 10 метров
Действия Qualcomm ставят вопрос о будущем беспроводной зарядки
Qualcomm и Samsung создали Альянс беспроводного электропитания A4WP
Утвержден единый стандарт беспроводных зарядных устройств
Intel работает над технологией беспроводной зарядки устройств
Apple придумала практичный способ беспроводной зарядки
Разработан стандарт беспроводной зарядки смартфонов и планшетов
Freescale продвигает стандарт беспроводной зарядки устройств
Беспроводная передача энергии через магнитное поле
Метаматериалы могут повысить эффективность беспроводной передачи электроэнергии
Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов. Часть 1

Источник: журнал «Электронные компоненты»