Технологии беспроводной зарядки.
Часть 1. Теоретические основы и способы аппаратной реализации

Введение

Беспроводная зарядка (БЗ), также известная как передача энергии без проводов, это технология, обеспечивающая передачу электромагнитной энергии по воздуху от источника к приемнику без использования проводных соединений. Она применима для самых разнообразных устройств, от маломощной электрической зубной щетки до электромобилей, и обладает несомненным преимуществом в удобстве использования. Сегодня данная технология, ранее бывшая чистой теорией, находит все более широкое применение, воплощаясь в коммерческих продуктах. Особенно успешно ее внедрение идет на рынке портативных устройствмобильных телефонов, планшетов и т. п. В 2014 г. лидеры рынка мобильной техники, такие как Samsung, Apple и Huawei, заявили о выпуске нового поколения устройств со встроенной поддержкой БЗ. Согласно прогнозам IMS Research, количество устройств, обладающих возможностью БЗ, к 2016 г. достигнет 4,5 млн. Другая компания, Pike Research, предсказывает увеличение числа такого рода устройств до 15 млн к 2020 г.

По сравнению с традиционным (провод­ным) способом зарядки БЗ обладает рядом преимуществ:

1. Удобство для пользователей, которые будут избавлены от множества зарядных кабелей для различных устройств. Если производители придут к общему знаменателю, использование одинаковых зарядных устройств для продукции различных брэндов позволит избавиться от путаницы проводов.
2. Уменьшение размера устройств путем использования менее емких аккумуляторов или даже, возможно, полного отказа от них.
3. Повышение защищенности устройств (например, пыле- и влагонепроницаемость) при полном отказе от использования проводов как для зарядки, так и для передачи данных.
4. Расширение возможности применения устройств, особенно в тех случаях, когда использование проводов или замена батарей являются крайне нежелательными или даже неприменимыминапример в имплантатах.
5. Возможность обеспечить зарядку по требованию, что позволит избежать перезарядки аккумуляторов и уменьшить расходы на электричество.

Однако использование БЗ, как правило, имеет более высокую стоимость реализации по сравнению с традиционным способом: вместо зарядного шнура требуется установить беспроводное зарядное устройство, а в мобильный гаджет должен быть встроен приемник передаваемой энергии. Кроме того, устройства БЗ характеризуются повышенным тепловыделением при работе, что требует использования более качественных материалов.

Разработка технологий БЗ идет по двум основным направлениям. В первом случае используется энергия электромагнитного излучения радиочастотного или даже микроволнового диапазона. По соображениям безопасности такой способ может быть использован только для маломощных устройств. Так, например, всенаправленное радиочастотное излучение подходит только для приложений с узлами датчиков, потребляющих мощность до 10 мВт.

Альтернативный путьиспользование для передачи энергии магнитного поля, генерируемого катушкой-излучателем и улавливаемого катушкой-приемником. Поскольку затухание магнитного поля гораздо сильнее, чем электрического, данный способ применим только для зарядки на небольшом расстоянии. Но данный способ зарядки безопасен, что позволяет широко использовать его для самых разнообразных устройствот зубных щеток до автомобилей.

Настоящее исследование фокусируется на стратегиях беспроводной зарядки в сетях связи с возможностью беспроводного получения энергии, также называемых беспроводными сетями связи (WPCN).

История и коммерциализация

На рис. 1 показана краткая история и основные этапы развития технологии БЗ.

Рис. 1. Краткая история развития беспроводной передачи энергии

Теоретические основы

Изучение электромагнетизма началось в 1819 г., когда Х. С. Эрстед (H. C. Oersted) обнаружил связь электрического тока и магнитного поля. Вскоре были открыты законы Ампера, Био-Савара и Фарадея, описывающие основные свойства электромагнитного поля. Затем, в 1864 г., последовало открытие уравнений, характеризующих процесс возникновения и взаимодействия электрического и магнитного полей. Позднее, в 1873 г., публикация книги Дж. К. Максвелла (J. C. Maxwell) Трактат об электричестве и магнетизме объединила изучение электричества и магнетизма, связав их в  электромагнитном поле — среде, в которой происходит распространение электрических и магнитных воздействий.. Этот исторический прогресс установил современную теоретическую основу электромагнетизма.

Технические прорывы и исследовательские проекты

История стала свидетелем серии важных технических прорывов, объединенных двумя основными направлениями исследований в области электрического и магнитного поля. В 1888 г. Х. Р. Герц (H. R. Herts) для передачи электричества через крошечный зазор использовал осциллятор, соединенный с индукционными катушками. Это впервые экспериментально подтвердило существование электромагнитного излучения. Никола Тесла, создатель электрооборудования, работаюшего на переменном токе, провел первые эксперименты по беспроводной передаче энергии на основе микроволнового излучения. Он сосредоточил усилия на изучении возможности передачи беспроводной энергии на большие расстояния, и в 1896 г. ему удалось передать сигналы на расстояние около 48 км при помощи микроволнового излучения. Еще один крупный прорыв был достигнут в 1899 г.: электроэнергия высокой частоты с напряжением 10 МВ была передана на расстояние около 40 км (25 миль), что позволило зажечь 200 ламп накаливания и запустить электродвигатель. Однако технология, которую применял Тесла, не получила развития, поскольку использование таких высоких напряжений могло бы привести к катастрофическим последствиям для людей и электрооборудования в окрестностях. Примерно в тот же период он представил свою знаменитую катушку Теслы (рис. 2а). В 1901 г. он построил башню Ворденклифф (Wardenclyffe Tower) для передачи электрической энергии без проводов через ионосферу (рис. 2б). Однако из-за ограничения технологии (например, низкой эффективности системы из-за необходимости генерации электрического поля гигантских размеров) идея также не получила дальнейшего развития и не имела коммерческого успеха.

Позднее, в 1920-1930-х годах, были изобретены магнетроны для преобразования электричества в микроволны, что сделало возможной передачу энергии на большие расстояния без использования проводов. Однако способ эффективно конвертировать микроволновое излучение обратно в электричество не был найден, и развитие технологий БЗ приостановилось.

Так продолжалось до 1964 г., когда В. К. Браун (W. C. Brown), считающийся главным инженером практической беспроводной зарядки, изобрел устройство, названное ректенна, которое предназначалось для преобразования микроволн в электричество. Браун доказал практичность передачи микроволновой энергии, продемонстрировав модель вертолета, получающего всю необходимую ему энергию от микроволнового луча (рис. 2в). Это послужило стартом для исследований возможности конструирования самолетов, работающих от микроволнового излучения, которые проводились в 1980-1990-х годах в Японии и Канаде. В 1975 г. Браун передал 30 кВт на расстояние 1 мили с эффективностью преобразования 84%, используя комплекс дальней космической связи обсерватории Голдстоун (Goldstone Deep Space Communications Complex, рис. 2г).

Рис. 2. Беспроводные системы передачи энергии:
а) катушка Теслы;
б) башня Ворденклифф;
в) вертолет, работающий на беспроводном электричестве;
г) обсерватория Голдстоун;
д) система Witricity;
е) приемник и передатчик Powercaster;
ж) зарядные панели Qi;
з) системы MIMO

Спутник солнечной энергии (SPS), концепция которого была предложена в 1968 г.,это еще один пример возможного использования СВЧ для передачи энергии на большие расстояния. В основе идеи лежит размещение большого SPS на геостационарной орбите Земли для сбора энергии Солнца и ее передачи на Землю посредством электромагнитного излучения. Широкие исследования по передаче энергии с помощью микроволн проводились НАСА в течение 1970-1980-х годов.

В этот же период времени шел постепенный прогресс технологии БЗ с помощью магнитного поля. Крупных прорывов на этом направлении не было, хотя стоит отметить, что устройства с индуктивной связью уже в 1960-х годах широко использовались в маломощных медицинских устройствах.

Коммерциализация

Недавний всплеск интереса к исследованиям в области БЗ в первую очередь был вызван стремительным ростом рынка портативных электронных устройств. Коммерческие продукты, использующие БЗ, стали появляться в 1990-х годах. Это касалось как устройств ближнего действия (индуктивных), так и дальнего (микроволновых)прогресс шел в обоих направлениях. В 2007 г. коллективом из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) была разработана технология Witricity (рис. 2д). В ходе экспериментов было показано, что БЗ среднего радиуса действия может быть не только практична, но и эффективна. На коммерческом рынке появились первые устройства БЗтакие как Cota system, PRIMOVE и беспроводная перезаряжаемая система Powercast (рис. 2е).

Совсем недавно для разработки международных стандартов БЗ были созданы различные консорциумы, например Консорциум беспроводной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), Alliance Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP). В настоящее время эти стандарты были приняты и воплощены во многих электронных продуктах, доступных на рынке, таких как смартфоны и БЗ, показанные на рис. 2ж. Конец 2014 г. ознаменовался впечатляющим технологическим прорывомпоявлением Magnetic MIMO (MagMIMO). Устройства, использующие данную технологию (рис. 2з), формируют поле беспроводной зарядки при помощи многоантенных излучателей магнитных волн. Эта технология стала основой для исследований в области формирования излучателей магнитного поля.

Беспроводные технологии зарядки

Как показано на рис. 3, технологии БЗ делятся на неизлучающие, работа которых основана на эффекте магнитной индукции, и излучающие, которые используют энергию электромагнитных волн. Неизлучающие устройства используют такие методы передачи энергии, как индуктивная связь, магнитно-резонансная связь и емкостная связь. Излучающие технологии, в свою очередь, могут использовать направленную передачу энергии или же ненаправленную. При емкостной связи величина передаваемой энергии зависит от доступной площади устройства. Однако для портативного электронного устройства это является неприемлемым, поскольку габариты таких устройств не позволяют обеспечить достаточную мощность для зарядки. Если же говорить о направленных излучателях электромагнитной энергии, то ограничение заключается в том, что зарядное устройство должно знать точное местоположение приемника энергии, который к тому же должен находиться в пределах прямой видимости. Из-за очевидного ограничения вышеупомянутых двух методов БЗ обычно реализуется с помощью других трех методов, а именно: магнитной индуктивной связи, магнитно-резонансной связи и непрямого радиочастотного излучения.

Рис. 3. Классификация технологий беспроводной зарядки

Магнитная индукция и магнитно-резонансная связь работают на небольшом расстоянии, где генерируемое электромагнитное поле доминирует в области, близкой к передатчику или рассеивающему устройству. Мощность магнитного поля обратно пропорциональна третьей степени расстояния от источника до приемника. В то же время микроволновое излучение работает на гораздо большем расстоянии. Мощность микроволнового излучения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от излучателя. Более того, для данного метода поглощение излучения не оказывает влияния на передатчик, поскольку передающая и принимающая антенны не связаны. Напротив, при использовании индуктивных методов приемник и передатчик оказывают взаимное влияние друг на друга.

Индуктивная связь

Индуктивная связь основана на явлении электромагнитной индукции (рис. 4a). Индуктивная передача мощности (IPT) происходит, когда первичная катушка передатчика энергии генерирует изменяющееся магнитное поле, которое проходит через вторичную катушку приемника энергии. Переменное магнитное поле индуцирует напряжение/ток во вторичной катушке приемника. Этот эффект можно использовать для зарядки беспроводного устройства или аккумулятора. Рабочая частота индуктивной связи обычно находится в диапазоне нескольких килогерц. Для повышения эффективности зарядки вторичная катушка должна быть настроена на рабочую частоту. Добротность такой системы обычно имеет низкие значения (например, ниже 10), поскольку передаваемая мощность быстро снижается при повышении добротности. Из-за отсутствия компенсации добротности эффективное зарядное расстояние таких систем обычно не превышает 20 см. Радиочастотная идентификация на основе индуктивной связи (RFID) использует технологию увеличения расстояния зарядки до десятков сантиметров за счет снижения эффективности (1-2%). Полученная приемником мощность измеряется микроваттами. Несмотря на ограниченное расстояние передачи, эффективная мощность зарядки может быть очень высокой (например, киловатты в устройствах для зарядки электромобиля).

Рис. 4. Модели беспроводных зарядных систем на основе индуктивной и магнитно-резонансной связи

К преимуществам устройств на магнитной индуктивной связи также относятся простота внедрения, удобная работа, высокая эффективность на близком расстоянии (как правило, меньшем, чем диаметр катушки) и гарантированная безопасность. Поэтому данный метод применим и популярен для мобильных устройств. Используя упомянутую выше технологию MagMIMO, можно заряжать беспроводное устройство на расстоянии до 30 см. Утверждается, что MagMIMO может обнаруживать телефон и инициировать его зарядку даже если он находится не в прямой видимости зарядного устройства, например в кармане.

Магнитно-резонансная связь

Магнитно-резонансная связь (рис. 4б) основана на взаимодействии с затухающей волной, которая генерирует и передает электрическую энергию между двумя резонансными катушками через изменяющиеся или осциллирующие магнитные поля. Поскольку две резонансные катушки, работающие на той же резонансной частоте, сильно связаны, может быть достигнута высокая эффективность передачи энергии, при этом утечки для нерезонансных внешних препятствий будут небольшими. Например, в апреле 2015 г. был продемонстрирован современный прототип, показавший максимальную эффективность передачи мощности в 92,6% на расстоянии 0,3 см. Благодаря использованию эффекта резонанса преимуществом магнитно-резонансной связи является игнорирование влияния внешней среды и отсутствие требования прямой видимости передающего и принимающего устройств. Продемонстрированные ранее магнитосвязанные резонаторы показали способность передавать энергию на бόльшие расстояния, чем устройства индуктивной связи той же мощности, и с более высокой эффективностью, чем при помощи радиочастотного (RF) излучения. Кроме того, магнитно-резонансная связь может быть использована для передачи энергии на несколько устройств при помощи одного передатчика, благодаря чему данный метод позволяет заряжать несколько устройств одновременно.

Устройства, использующие резонансную связь, работают в диапазоне мегагерцевых частот и имеют высокую добротность. Это особенно важно для увеличения расстояния до зарядки, поскольку высокая добротность сглаживает негативное влияние увеличенного расстояния между устройствами и, следовательно, повышает эффективность БЗ. Таким образом, становится возможным увеличение расстояния передачи мощности вплоть до 1 м. Как уже упоминалось, в 2007 г. ученые из MIT предложили Witricityвысокоэффективную технологию беспроводной передачи энергии на средних дистанциях, основанную на сильно связанном магнитном резонансе. Сообщалось, что с помощью данной технологии можно заставить работать лампу мощностью 60 Вт на расстоянии более чем 2 м при эффективности энергопередачи около 40%. Эффективность увеличилась до 90%, когда расстояние передачи составило 1 м. Однако недостатком данной технологии является то, что размер приемника Witricity трудно уменьшить, поскольку требуется наличие распределенной емкостной катушки. Это представляет собой серьезную проблему в реализации технологии Witricity в портативных устройствах. Резонансная магнитная связь может одновременно заряжать несколько устройств, для чего требуется настройка связанных резонаторов с несколькими приемными катушками, что даже улучшает общую эффективность системы. Однако взаимная связь приемных катушек может привести к помехам, и следовательно, необходима правильная настройка приемных устройств.

Радиочастотное излучение

В данном случае в качестве среды для переноса энергии используется RF-излучение микроволнового диапазона. Радиоволны СВЧ распространяются в пространстве со скоростью света в прямом направлении. Типичная частота микроволнового излучения составляет от 300 МГц до 300 ГГц. При передаче энергии могут использоваться также инфракрасные и рентгеновские лучи. Однако из-за проблемы безопасности такие системы широко не используются. На рис. 5 показана архитектура СВЧ-системы передачи энергии. Она начинается с преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC), который, в свою очередь, преобразуется в радиоизлучение при помощи магнетрона, входящего в состав передатчика. После распространения по воздуху микроволновое излучение захватывается ректенной приемника, после чего происходит обратное преобразование радиоизлучения в электричество.

Рис. 5. Система передачи энергии дальнего действия при помощи радиоизлучения

Эффективность преобразования RF-DC в значительной степени зависит от поглощенной плотности мощности на приемной антенне, от точности согласования импеданса между антенной и множителем напряжения и энергоэффективности преобразователя напряжения, который конвертирует принятое RF-излучение в постоянный ток. Например, в одном из продемонстрированных в мае 2015 г. устройств эффективность преобразования RF-DC достигала 62 и 84% при суммарной входной мощности 10 и 5,8 дБм соответственно.

RF-излучение может быть изотропным или направленным. Изотропное более подходит для широковещательных приложений. При передаче точка-точка направленное излучение может повысить эффективность передачи энергии. Для формирования направленного излучения используется массив фокусирующих антенн или антенны на основе аппертурных решеток.. Четкость формирования луча энергии улучшается с увеличением количества передающих антенн. Использование большого числа антенн увеличенного размера также способствует улучшению качества передачи энергии. На коммерческом рынке уже присутствуют устройства для БЗ на основе RF-излучениянапример, передатчик Powercaster и приемник Powerharvester, которые допускают изотропную передачу мощности 1 или 3 Вт (рис. 2е).

Помимо более высокой дальности передачи, микроволновое излучение имеет еще одно преимуществосовместимость с существующей системой связи. Посредством RF-излучения возможно одновременно передавать и энергию, и информацию. Амплитуда и фаза СВЧ используются для модуляции информации, а ее излучение и колебаниядля переноса энергии. Концепция использования одновременной передачи информации и энергии получила название SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer). Для внедрения SWIPT были разработаны усовершенствованные интеллектуальные антенны, используемые на стороне приемника, которые обеспечивают хороший компромисс между производительностью и сложностью системы. Другой подход к внедрению подобных систем, имеющий определенные экономические преимущества, предусматривает развертывание выделенных силовых маяков, действующих совместно с существующей системой связи. Однако из-за медицинских ограничений для RF-излучения мощность передатчиков должна быть регламентирована в соответствии с нормативами, такими, например, как установленные Федеральной комиссией по связи США (FCC), и максимально допустимыми уровнями воздействия, указанными в стандарте IEEE C95.1-2005. Это приводит к увеличению плотности сети передающих станций, имеющих пониженную мощность излучения.

В таблице 1 приводятся сравнительные характеристики разных типов БЗ, их преимущества, недостатки, эффективное расстояние зарядки и сферы применения.

Применение систем БЗ

Для лучшего понимания всего разнообразия и многообещающего применения БЗ расскажем об уже существующих приложениях и практическом применении систем БЗ ближнего и дальнего радиуса действия.

Зарядка ближнего действия

Зарядные приложения для ближнего поля могут быть реализованы на основе индуктивной и резонансной связи. Из-за простоты и низкой стоимости реализации в большинстве существующих решений в основном применяется индуктивная связь. Как упоминалось выше, технология IPT (Inductive Power Transferпередача энергии посредством катушек индуктивности) способна обеспечить передачу большой мощности (киловатт и выше) и широко используется в промышленной автоматизации. Основные области применения включают роботизированные манипуляторы, автоматизированные подвод­ные аппараты, индукционные генераторы и асинхронные двигатели. Мощные системы IPT также применяются для обеспечения энергией общественного транспорта, например монорельсовых составов, пассажирского транспорта, электроподвижного состава на железнодорожном транспорте (в частности, на высокоскоростных поездах). Передаваемая при этом мощность колеблется от киловатта до сотен киловатт. Например, система онлайнового питания электроподвижного состава реализует выходную мощность 100 кВт с 80%-й энергоэффективностью при воздушном зазоре 26 см.

Еще одно широко распространенное применение зарядных устройств большой мощностиэто питание аккумуляторных батарей натранспортных средствах на электроприводе (Electric Vehicle, EV), в том числе на гибридных электрических транспортных средствах (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV). Индуктивная связь начала применяться для зарядки EV с 1990-х годов. Были разработаны индуктивные зарядные устройства как для однонаправленной, так и для двунаправленной зарядки, которая делает возможным создание целых сетей БЗ. Как правило, эффективность зарядки достигает 90% и выше при мощности 1-10 кВт на расстоянии 4-10 мм. В 2012-2015 гг. были продемонстрированы и оценены системы на основе резонансной связи для EV. По сравнению с индуктивными устройствами БЗ, зарядка EV на основе резонансной связи позволяет заметно увеличить зарядное расстояние, а также эффективность передачи энергии. Так, например, в экспериментах, результаты которых были представлены на International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe) в Гетеборге (Швеция) в сентябре 2014 г., была достигнута эффективность более 95% при воздушном зазоре 22,5 см.

Системы зарядки ближнего действия средней мощности (от нескольких ватт до десятков ватт) применяются, прежде всего, в медицинских аппаратах и бытовых устройствах. Различные конструкции биомедицинских имплантатов, основанные на индуктивной связи, были показаны на конференции Medicine and Biology Society (EMBC) в Буэнос-Айресе (Аргентина) еще в 2010 г. Современные решения могут обеспечить более высокую эффективность зарядки50% и выше при воздушном зазоре 10 мм. Системы с резонансной зарядкой, используемые в биомедицинских имплантатах, имеют более мощную проникающую способность. Поскольку расстояние до БЗ намного больше размера катушки, резонансная связь обеспечивает меньший размер имплантированного устройства по сравнению со стандартным решением. В некоторых работах было показано, что при передающей катушке диаметром 3 см и приемной диаметром 2 см эффективность зарядки может достигать более 60% на расстоянии свыше 20 см. Современные технологии могут дать повышение эффективности БЗ в биотканевых средах до 70%.

Что касается применения БЗ средней мощности для бытовой техники, то это, например, индуктивная зубная щетка, освещение, настенный выключатель, система отопления и проч.везде, где только может быть использована БЗ. Если речь идет о портативных устройствах, то для них было выпущено множество стандартных БЗ, таких, например, как зарядное устройство Qi RAVPower, зарядная площадка Verizon Qi, Duracell Powermat, зарядное устройство Energizer Qi, зарядные площадки ZENS Qi и Airpulse, разработанные для передачи энергии на ноутбуки, планшеты и мобильные телефоны (рис. 3ж).

Более того, в период с 2011 по 2014 г. на различных международных научных конференциях по электромагнетизму, СВЧ-технологиям, вопросам беспроводной передачи данных и т. п. были продемонстрированы системы БЗ ближнего действия для передачи энергии с морских энергостанций, для использования в нефтедобывающей промышленности, угольных шахтах, электрических велосипедах, сенсорах и датчиках, носимых устройствах, имплантируемых системах, RFID, LED-дисплеях и т. п.

Системы дальнего радиуса действия

Системы дальнего радиуса действия могут быть реализованы на основе как ненаправленного, так и направленного радиоизлучения. Ненаправленное излучение подходит даже для тех условий, когда передатчик и приемник не находятся в условиях прямой видимости. При этом эффективность приема в очень незначительной степени зависит от ориентации антенны приемника, однако эффективность зарядки в таком случае будет относительно низкая. Поэтому наиболее широко распространенными приложениями для ненаправленной зарядки стали маломощные беспроводные системы, такие как беспроводные сенсорные сети (WRSN) и RFID-системы. WRSN с низкими рабочими циклами могут поддерживать постоянную работу при плотности электромагнитной мощности RF-излучения в диапазоне 20-200 мВт/см².

Для работы в ненаправленной системе дальнего радиуса были специально разработаны семейства  датчиков сверхнизкой мощности. Как было показано на International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) в Сеуле (Сев. Корея) в мае 2012 г., встроенный датчик и приемник отдельного устройства потребляют мощность 1,79 и 0,683 мВт соответственно и могут передавать данные со скоростью 500 кбит/с.

Чтобы не зависеть от выделенного устройства БЗ, были разработаны беспроводные системы зарядки, основанные на сборе энергии от окружающей среды. В специализированной литературе в последнее время нередко упоминаются разработки платформ самозарядных датчиков для сбора энергии от RF-сигналов телевизионного вещания, передач радиостанций с амплитудной модуляцией (AM), от глобальной системы мобильной связи (GSM 900/1800), маршрутизаторов Wi-Fi, базовых станций сотовой связи и спутникового телевещания.

RF-датчики могут найти применение в самых разнообразных системах, например таких, как беспроводные нательные сенсорные/компьютерные сети (Wireless BodyArea Networks, WBAN), предназначенные для мониторинга состояния пациента и медико-санитарной помощи. Устройства WBAN могут быть носимыми, размещенными на теле, или даже имплантированными внутрь человеческого тела. В некоторых научных публикациях 2012-2014 гг. рассматриваются вопросы создания и варианты использования WBAN, не имеющих батарей, питание которых осуществляется с помощью БЗ. Как правило, потребляемая мощность таких датчиков составляет десятки милливатт, а эффективность зарядки составляет около нескольких процентов (например, 1,2%). Следует отметить, что размещение имплантированных датчиков глубоко внутри органов тела влечет за собой значительно меньшую эффективность зарядки, обычно менее 0,1%. Утверждается, что типичные имплантированные датчики с микроволновым источником питания могут работать на расстоянии десятков сантиметров от излучателя. RF-датчики также используются в системах Интернета вещей (IoT), системах связи межмашинного взаимодействия (M2M) и системах интеллектуальных сетей (Intelligent Network, IN).

Системы с направленным излучением могут быть использованы для беспроводного питания электронных устройств с большим энергопотреблением. В 1960-х годах были разработаны сверхмощные системы передачи энергии, использующие микроволновое излучение, способные передавать сотни киловатт. Направленные СВЧ-системы передачи большой мощности на дальнее расстояние получили относительно широкое распространение. Как было упомянуто выше, эксперимент по передаче СВЧ-энергии в Голдстоуне, проведенный в 1975 г., продемонстрировал возможность передачи 30 кВт с мощностью пучка 450 кВт на расстояние более 1,54 км при работе системы на частоте 2,388 ГГц. Системы на основе направленного СВЧ-излучения дальнего радиуса действия также стимулировали развитие сетей больших систем БЗ. Это, например, Solar Power Satellites (SPS); беспилотные летательные аппараты (БЛА), в том числе с беспроводным питанием от источника СВЧ-излучения; высотные платформы на электромоторах (HAPP); воздушная радиоантенна Raytheon (RAMP) и программы создания высотных стационарных ретрансляторов (SHARP).

В последнее время активно набирают популярность транспортные средства на электроприводе (упомянутые ранее EV/PHEV). Для их питания также могут быть использованы системы БЗ на основе направленного СВЧ-излучения. На International Electric Drives Production Conference (EDPC) в Нюрнберге (Германия) в 2013 г. были представлены материалы исследования и создания системы дорожных излучателей для беспроводной передачи энергии электротранспорту. Показано, что разработанная ректенна способна принимать мощность 10 кВт с эффективностью преобразования RF-DC более 80%.

В прошедшем десятилетии большое распространение получили системы беспроводного питания средней мощности для работы с портативными электронными устройствами. Например, коммерческая система Cota, о которой также говорилось выше, способна передавать энергию на расстояние до 10 м даже при наличии препятствий между передающим и принимающим устройствами. Кроме того, система передающих станций СВЧ-излучения (например, 60 ГГц) может служить источником питания для мобильных устройств в сотовых сетях. Однако практичность и экономическая эффективность такой системы требуют дальнейшего исследования.

Обзор систем беспроводной зарядки

Рассмотрим и проанализируем системы БЗ, их архитектуру, аппаратное обеспечение и вопросы конструирования.

Архитектура

На рис. 6 представлена блок-схема типичной неизлучающей системы БЗ. Передатчик состоит из: выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный; повышающего преобразователя постоянного тока, увеличивающего выходное напряжение; инвертора-преобразователя, конвертирующего постоянный ток в переменный. Приемник состоит из: выпрямителя, преобразующего переменный ток высокой частоты в постоянный; понижающего преобразователя постоянного тока, уменьшающего выходное напряжение; нагрузки.

Рис. 6. Блок-схема системы неизлучающей БЗ

Процесс передачи происходит следующим образом. Переменный ток передается на вход выпрямителя. Существующие сети переменного тока работают на частоте 50 или 60 Гц, что слишком мало для систем БЗ. Полученный постоянный ток при помощи преобразователя получает более высокое напряжение. Затем происходит преобразование напряжение-частота, после которого на выходе получается переменный ток высокой частоты. Проходя через катушку, переменный ток формирует магнитное поле, которое взаимодействует с катушкой приемника через воздушный зазор и возбуждает переменный ток высокой частоты в приемнике. Далее происходит обратный процесс преобразования: переменный ток выпрямляется, затем происходит уменьшение полученного напряжения в преобразователе для получения тока, пригодного для питания устройства или зарядки батареи.

Топология индуктивных систем связи имеет четыре разновидности, а именно: последовательно-последовательная; последовательно-параллельная; параллельно-последовательная; параллельно-параллельная. Различие данных топологий сказывается на компенсационных преобразованиях при взаимодействии электромагнитных цепей. Параллельно-последовательная и параллельно-параллельная регулируют ток инвертора, протекающий в параллельных резонансных контурах, при помощи дополнительных индукторов, что приводит к увеличению размеров преобразователя и его стоимости. Кроме того, эти две топологии имеют различные значения резонансной емкости в зависимости от сочетания и добротности контуров. Поэтому более широкое распространение получили последовательно-последовательная и последовательно-параллельная структуры. Основными типами входного порта системы резонансного соединения являются последовательные и параллельные схемы, которые используются в сочетании для повышения эффективности работы индукционной катушки.

Индуктивные системы связи обычно используют архитектуру с двумя катушками, как показано на рис. 6. В то же время архитектура системы при использовании резонансной связи более разнообразна. Сравнительно недавно получили распространение системы с применением магнитной связи на основе четырех катушек с согласованным импедансом, системой релейного резонатора и системами домино-резонаторов.

Рис. 6. Блок-схема системы неизлучающей БЗ

Идея использовать систему БЗ с четырьмя катушками впервые была предложена в 1998 г. В ней на стороне передатчика располагаются катушка возбуждения и передающий резонатор, а на стороне приемникапринимающий резонатор и катушка нагрузки (рис. 7). Использование катушки возбуждения и катушки нагрузки включает в себя два дополнительных коэффициента взаимной связи, т. е. коэффициент между катушкой возбуждения и передающим резонатором, а также между принимающим резонатором и катушкой нагрузки. По сравнению с системой с двумя катушками, два дополнительных коэффициента обеспечивают дополнительные возможности по увеличению расстояния передачи. Однако общая эффективность передачи не будет превышать 50% из-за требования согласования независимости.

Рис. 7. Архитектура беспроводной системы зарядки с четырьмя катушками и резонансной связью

Система с использованием релейного резонатора получается путем добавления дополнительного релейного резонатора между передающей и приемной катушками. Оптимизация и экспериментальные оценки такой системы проводились с рабочими частотами 115,6 кГц, 1,25/6,78/7/13,56 МГц. Для дальнейшего расширения диапазона передачи системы с релейным резонатором может быть применена так называемая система домино-резонатора, когда между передающей и приемной катушками могут быть размещены несколько промежуточных резонаторных реле. Такие системы получаются очень гибкими и могут быть выполнены в различных конфигурациях: прямая линия, кольцо, изогнутые и Y-образные узоры. Энергия может передаваться раздельными путями или объединять несколько путей, что обеспечивает улучшенное управление передачей мощности.

Аппаратное обеспечение

Напряженность магнитного поля можно охарактеризовать как функцию расстояния d от источника следующим образом:

где I, N и r – ток, число витков и радиус катушки соответственно.

Из (1) непосредственно следует, что увеличение числа витков и радиуса передающей катушки приводит к усилению напряженности. Однако они не могут увеличиваться беспредельно, поэтому их оптимизация производится более сложным способом, при котором учитываются частота и сопротивление. Для эффективного приема передаваемой энергии принимающая катушка должна иметь низкий импеданс.

Эффективность передачи энергии неизлучательной зарядной системы сильно зависит от взаимной индуктивности между двумя катушками, добротности Q и коэффициента согласования нагрузки. Взаимная индуктивность пары катушек указывает, как изменение одной катушки влияет на индуцированный ток в другой. Взаимная индуктивность между парой катушек пропорциональна самоиндукции двух катушек через коэффициент связи. Коэффициент эффективности передачи, который характеризует качество взаимосвязи катушек, определяется выравниванием, расстоянием, отношением диаметров и формой двух катушек.

Добротность Q определяется как отношение энергии, хранящейся в резонаторе, к энергии, обеспечиваемой генератором. Более высокое значение Q указывает на меньшую скорость потери энергии системы при передаче мощности. Поэтому в силовой системе с высокой добротностью колебания/резонанс медленно снижаются. На добротность влияет самоиндуктивность, сопротивление и внутренняя частота, которые, в основном, зависят от применяемых материалов. Коэффициент соответствия нагрузки зависит от расстояния. Так как резонансные частоты пары катушек меняются при изменении зазора, коэффициент согласования нагрузки измеряет, насколько точно совпадают резонансные частоты. Для настройки коэффициента согласования нагрузки для поддержания согласования резонансной частоты на различном расстоянии в литературе предложены различные решения, такие как манипуляция с сопряжением, согласование частоты, согласование импеданса и настройка параметров резонатора.

В таблицах 2 и 3 показаны некоторые из недавно разработанных способов аппаратной реализации систем передачи энергии через индуктивность (IPT) и резонансных систем связи соответственно. Показано, что для систем IPT эффективность зарядки 50-80% может быть достигнута при расстояниях до зарядки в несколько сантиметров. Для систем резонансной связи зарядное расстояние увеличивается до нескольких дециметров с эффективностью от 50% до 90%.

Изучение распространения беспроводной энергии

Распространение радиоволн для дальней радиосвязи хорошо изучено. Уделим внимание основным характеристикам распространения магнитных волн при близком взаимодействии. Сначала рассмотрим фундаментальную модель магнитной индукции в базовой установке одиночного входа/одиночного выхода (SISO). Затем модель расширяется для конфигураций с множественными входами и выходами: с несколькими входами/одиночными выходами (MISO), с одним входом и несколькими выходами (SIMO) и с несколькими входами и выходами (MIMO).

SISO

Система магнитной индукции с одним входом и одним выходом показана на рис. 8а. Пусть r_t и r_r радиусы передающей и принимающей катушек соответственно. Расстояние между катушками обозначим как d. Пусть w₀ – это резонансная угловая частота, с которой связаны две катушки. Тогда:

где L_t и L_r – самоиндукция передающей и принимающей катушек соответственно.

Рис. 8. Схемы моделей передачи «точка–точка»:
a) SISO;
б) MISO;
в) SIMO;
г) MIMO

M – взаимоиндукция, а C_t и C_r – резонансные емкости. Сопротивление передающей и принимающей катушек соответственно обозначим как R_t и R_r._. Импеданс источника передатчика и нагрузки приемника R_S  и R_L соответственно. В соответствии со вторым правилом Кирхгофа, напряжение между двумя катушками может быть выражено следующей формулой:

После упрощения (2) полученная мощность на нагрузке приемника может быть вычислена как:

где P_t – передаваемая мощность источника, ƞ_t и ƞ_r – эффективность передатчика и приемника, вычисляемые по формуле:

 Q_t и Q_r – добротность передатчика и приемника, вычисляемые по формуле:

k(x) – коэффициент фактора связи между двумя катушками. Коэффициент связи является функцией взаимной индуктивности, обозначенной как M, и собственной индуктивностью катушек передачи и приема. Его значение определяется следующим выражением:

Если известен радиус катушек передачи и приема, а также расстояние зарядки между ними, коэффициент связи также может быть выражен в виде следующей функции:

Подставляя (7) в (3), получим, что мощность, полученная передатчиком при соединении один к одному (SISO), приводится к следующему виду:

MISO

На рис. 8б показана базовая модель для схемы MISO (несколько входов/один выход). Пусть N_t – это число передающих катушек. На резонансной частоте каждая катушка передатчика взаимодействует с катушкой приемника. Энергия, передаваемая на приемник от катушки передатчика, n∈{1,…,N_t}, рассчитывается по формуле:

где Pⁿ_r, Qⁿ_tи ƞⁿ_t – передаваемая энергия, добротность и эффективность передающей катушки nсоответственно.

Эффективность передачи между передатчиком и приемником может быть вычислена по формуле:

где q_n – угол между d₁и d_n, как показано на рис. 8б, а r_n – радиус n-ной катушки передатчика.

Суммарная мощность, получаемая приемником в этом случае, может быть рассчитана по формуле:

В случае когда катушки передатчика идентичны, т. е. P₁= P₂ =…= P_Nt = P_T,Q₁= Q₂ =…= Q_Nt= Q_T, ƞ₁ = ƞ₂ =…=ƞ_Nt = ƞ_T иr₁= r₂ =…= r_Nt= r_T, формула для расчета переданной энергии может быть приведена к виду:

SIMO

На рис. 8в показана базовая модель для схемы подключения один вход/несколько выходов (SIMO). Пусть N_rэто число катушек приемника. Подобно схеме MISO, на резонансной частоте каждая катушка приемника взаимодействует
с передающей катушкой, т. о. каждая катушка приемника получает свою порцию энергии от передатчика. Энергия, получаемая приемником, m∈{1,…,N_r}, рассчитывается по формуле:

где Q^m_r и ƞ^m_r – добротность и эффективность m-ой катушки приемника соответственно, d_mэто расстояние между катушкой mприемника и передающей катушкой.

Общая мощность, передаваемая приемнику, рассчитывается по следующей формуле:

где k²_m(d_m) аналогичны формуле (10).

MIMO

Пусть k_n,m и d_n,m обозначают коэффициент связи и расстояние между катушкой n приемника и катушкой m передатчика соответственно. Для расчетов в схеме подключения MIMO применяется система точка-точка (рис. 8г). Согласно ей приемник получает энергию раздельно от каждой отдельной катушки передатчика. Перекрестные связи между катушками приемника и передатчика слабые. Мощность на катушке приемника
m∈{1,…,N_r}, получаемая от n ∈{1,…,N_t} катушки передатчика, рассчитывается по формуле:

где k²_n,m(d_n,m) аналогичны формуле (10).

Полная переданная мощность может быть вычислена следующим образом:

* * *

На этом мы завершим первую часть статьи. В следующих публикациях будут подробно рассмотрены спецификации ведущих международных стандартов беспроводной зарядки и существующие их реализации, исследованы сетевые приложения, включая стратегии планирования статического зарядного устройства, мобильные беспроводные зарядные устройства и стратегии развертывания беспроводных зарядных устройств. Завершающие статьи цикла будут посвящены некоторым открытым направлениям исследований в области внедрения технологий БЗ, а также прогнозам некоторых будущих сетевых приложений.

Оригинал статьи опубликован в журнале IEEE Communications Surveys & Tutorials
www.researchgate.net/publication/281273340