Современного человека трудно удивить беспроводными системами передачи энергии. Харвестеры радиоизлучения, беспроводные зарядные устройства, RFID – прочно вошли в нашу жизнь. Мощность этих устройств невелика, но достаточна для питания портативной и малопотребляющей электроники. Создание более мощных беспроводных систем затруднялось низким КПД при передаче энергии. Однако в последнее время разработаны и активно внедряются современные технологии с низкими потерями. Так, например, беспроводные решения от компании WiTricity имеют КПД передающего тракта до 90% и мощность в несколько киловатт.
Принцип передачи энергии посредством электромагнитного взаимодействия хорошо известен. Если на обмотку катушки подать переменное напряжение, то созданное электрическое поле приведет к возникновению переменного магнитного поля. Если вблизи с первой катушкой поместить вторую катушку, то переменное магнитное поле вызовет в ее обмотках переменное электрическое поле (Рис. 1). Таким образом, происходит беспроводная передача энергии от одной катушки (катушка передатчика) к другой (катушка приемника).
 |
|
| Рис. 1. | Передача энергии с помощью ВЧ электромагнитного поля. |
У такого способа передачи есть недостатки. Чтобы передать мало-мальски значимую мощность, важно обеспечить целый ряд условий. Во-первых, требуется помещать катушки в непосредственной близости друг от друга. Во-вторых, необходимо обеспечить их параллельное расположение. В-третьих, важно помнить и о потерях в сердечниках и проводах.
Из-за сложности выполнения перечисленных требований КПД беспроводных систем передачи мощности долгое время оставался низким. Большая часть излучаемой энергии уходила в пустоту и рассеивалась в виде тепла в сердечнике и обмотках. Значительно повысить КПД оказалось возможным с помощью резонансных схем. Несмотря на то, что идея витала в воздухе, ее коммерческая реализация состоялась лишь недавно. В 2007 году Марином Солячичем была основана компания WiTricity, использующая одноименную фирменную технологию беспроводной передачи энергии с помощью резонансной системы.
Суть технологии заключается в том, что и передающий, и приемный контур имеют высокую добротность и точное совпадение частот резонансов. В такой системе важную роль играют согласующие цепочки на передающей и на принимающей стороне (Рис. 2).
 |
|
| Рис. 2. | Архитектура резонансной беспроводной системы передачи энергии. |
Результирующие потери такой системы оказываются чрезвычайно низкими. Так, для существующих решений компании, КПД передающего тракта катушка–катушка достигает 90%!
Технология WiTricity имеет целый ряд преимуществ перед традиционными беспроводными системами передачи мощности:
- Широкий диапазон передаваемой мощности до нескольких тысяч ватт.
- Возможность работы даже при значительных расстояниях между передатчиком и приемником. Например, отладочный набор WiT-3300 Development Kit способен передавать до 3.3 кВт на расстояния более 10 см. Это значит, что устройства можно заряжать, не нарушая герметичности корпусов, что чрезвычайно важно для военных и промышленных приложений.
- Низкая чувствительность к позиционированию приемника и передатчика.
- Возможность одновременной зарядки нескольких устройств.
Все это делает решения WiTricity идеальным выбором для самых различных областей (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Области применения мощных беспроводных систем передачи энергии. |
Ознакомиться с возможностями технологии WiTricity можно с помощью двух наборов: WiT-5000 и WiT-3300.
WiT-5000 Development Kit – набор разработчика, включающий зарядную платформу с двумя передатчиками мощности (5 Вт каждый), две платы приемника с выходом 12 В, набор соединительных кабелей, а так же всю необходимую документацию для разработки собственных устройств. Система работает с частотой резонанса 6.78 МГц и способна заряжать несколько устройств, расположенных на поверхности зарядной платформы (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Внешний вид 10 Вт системы WiT-5000. |
Несмотря на то, что зарядная платформа разработана с прицелом на работу в сегменте потребительской электроники и даже специализирована для iPhone5/5s (Рис. 4), никто не мешает разработчикам применять WiT-5000 для других областей:
- Медицина: для зарядки аккумуляторов портативных медицинских устройств (глюкометры, электронные градусники и т.д.);
- Промышленность: для зарядки аккумуляторов промышленных герметичных датчиков, раций и маломощных электроприборов (отверток);
- Системы освещения: для портативных светильников.
Интересным является тот факт, что платы передатчиков совершенно спокойно можно встраивать в мебель и различные корпуса.
Для разработки собственных принимающих устройств следует воспользоваться программой WiCAD.
WiT-3300 Development Kit – набор разработчика, предназначенный, в первую очередь, для демонстрации возможностей WiTricity для беспроводной зарядки аккумуляторов электроавтомобилей и автомобилей с гибридной силовой установкой. Набор включает в себя передатчик R2.3 с опциональной функцией обнаружения металлических предметов (FOD) и опциональным датчиком подвижных объектов (LOD), приемник R2.3, ВЧ усилитель, ВЧ выпрямитель, соединительные кабели, документацию, руководство пользователя (Рис. 5).
 |
|
| Рис. 5. | Базовые компоненты 3.3 кВт платформы WiT-3300. |
Система работает на частоте резонанса 85 кГц и способна передавать до 3.3 кВт мощности, имея 90 % КПД передающего тракта катушка-катушка. Зазор между приемником и передатчиком может достигать 20 см, а продольная и осевая точность позиционирования составляют ±7.5 см и ±15 см, соответственно. Этого вполне достаточно для создания беспроводных заправочных электростанций электромобилей. Основными приложениями мощных передатчиков WiTricity являются:
- Автомобильная промышленность. Основное применение – беспроводная зарядка батарей электроавтомобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками. Сейчас технологии WiTricity используют такие гранды отрасли, как Toyota и Mitsubishi.
- Медицинская электроника. В первую очередь следует упомянуть о зарядке аккумуляторов имплантированных систем (например, искусственного сердца). Процесс может происходить без подключения каких-либо проводов или тем более хирургического вмешательства.
- Промышленная электроника и техника. Беспроводные датчики, электропогрузчики, кары, электроинструменты – все это потенциальные потребители новой технологии беспроводной передачи энергии.
- Системы домашнего и промышленного освещения. В качестве примера стоит привести опыт компании OSRAM, которая использовала технологии WiTricity для создания беспроводных систем светодиодного освещения.
- Авиационная и военная электроника. Беспроводные системы передачи мощности будут востребованы для зарядных устройств беспилотных летательных аппаратов, для армейских экзоскелетов, для роботов-саперов и других приложений, требующих высокого уровня герметичности корпуса. Герметизацию таких устройств можно будет произвести всего один раз – при производстве, а в дальнейшем использовать беспроводную зарядку.
Говоря о создании собственных систем на базе технологии WiTricity, следует упомянуть о пакете разработки WiCAD.
WiCAD – программный пакет, позволяющий рассчитать и промоделировать основные параметры системы: параметры приемника и передатчика, характеристики эквивалентной схемы, оптимальные значения согласующих цепочек, токи и напряжения системы. Кроме того, программа дает дополнительные возможности для оценки уровня и распределения электромагнитного излучения.
Процесс разработки с WiCAD состоит из трех этапов: расчет параметров катушек и согласующих цепочек, анализ уровня электромагнитного излучения и его безопасности, создание прототипов и точная настройка.
Нет сомнений, что востребованность мощных беспроводных систем передачи энергии будет в ближайшее время постоянно расти. По этой причине именно сейчас следует уделять большое внимание новейшим разработкам в данной области, таким, например, как технологии WiTricity.
Характеристики WiT-5000 Development Kit:
- состав набора: зарядная платформа с входным напряжением 12 В, два шлейфа для подключения iPhone5/5s, платы передатчика мощности (вход 12 В), две платы приемника энергии, соединительные кабели, документация, инструкции, программный код (для лицензирования);
- входная мощность: 24 Вт (12 В / 2 А);
- выходная мощность: 10 Вт (2×5 Вт), 5 В / 1А;
- частота передачи: 6.78 МГц;
- площадь зарядной платформы 13×15 см;
- поддерживаемый коммуникационный протокол: Bluetooth LE;
- полный КПД: 60%;
- КПД передачи катушка/катушка: 90%;
- размеры платы передатчика: 19.5×13.0 см;
- габариты платы приемника: 5.7×11.7×1.6 см.
Характеристики WiT-3300 Development Kit:
- состав набора: передатчик R2.3 с опциональной функцией обнаружения металлических предметов (FOD) и опциональным датчиком подвижных объектов (LOD), приемник R2.3, ВЧ усилитель, ВЧ выпрямитель, соединительные кабели, документация, руководство пользователя;
- частота передачи: 85 кГц;
- точность позиционирования: ±15 см (осевая погрешность позиционирования), ±7.5 см (продольная точность позиционирования);
- выходная мощность: 300 Вт…3.3 кВт;
- выходное напряжение: 300…400 В (10-15 см зазор между передатчиком и приемником);
- габариты передатчика: 50×50x5 см (13.6 кг);
- габариты приемника: 30×30×2 см (4 кг);
- габариты блока согласующей цепочки: 36×10.5×3.5 см (1.8 кг);
- габариты ВЧ усилителя: 64×37×16 см (16.6 кг);
- габариты ВЧ выпрямителя: 29.5×16.5×7 см (3.6 кг).
О компании
WiTricity Corporation – американская компания, специализирующаяся на создании систем беспроводной передачи энергии на базе фирменной технологии резонансного электромагнитного взаимодействия WiTricity.
WiTricity Corporation была основана в 2007 году Марином Солячичем. В настоящий момент решения и технологии WiTricity применяются именитыми компаниями в четырех основных областях: автомобильная промышленность (Toyota, Mitsubishi, IHI, Delphi), освещение (OSRAM), медицина (Greatbatch, MediaTek Inc.), потребительская электроника (Intel, Alps Electric).
Посмотреть подробные характеристики беспроводных решений компании WiTricity
