ISSN 2225-7551

О.В. Будьонний, канд. техн. наук

М.А. Прокопець, магістрант

Є.Ю. Коваленко, магістрант

НТУУ «КПІ», м. Київ, Україна

БЕЗКОНТАКТНА ЗАРЯДКА АКУМУЛЯТОРНИХ БАТАРЕЙ

Пропонується використання безконтактного заряду акумуляторних батарей на основі теорії теслівських процесів для передачі енергії без дротів на невеликі відстані. Розрахунок енергетичних параметрів схеми передачі енергії проводився методом часткових ємностей між передавальними та приймальними антенами з урахуванням крайових ефектів. Проведено аналіз залежності струму та напруги навантаження від таких факторів: зміщення розташування пристрою, який заряджається, відносно центру блоку підзарядки; відстані між передавальними та приймальними антенами; значення індуктивності в навантаженні; робочої частоти.

Вступ

Останнім часом широкого використання набувають технології на основі електронних датчиків (ідентифікаторів) [1], які можуть бути вбудовані в упаковку товарів чи одяг для контролю їх переміщень у магазинах, складських приміщеннях тощо. Умовами використання таких датчиків є наявність вбудованого джерела живлення та герметичність. Ці умови можуть бути вирішені за допомогою безконтактної підзарядки акумуляторних батарей.

Однією з переваг бездротового способу передачі енергії, в порівнянні із найбільш розповсюдженим нині провідниковим, є відсутність елементів, що з’єднують джерело та приймач електричної енергії, а також можливість передачі енергії герметичним об’єктам.

Передача енергії може здійснюватися за рахунок струмів, які виникають при проходженні через ємності між «антенами» блоку підзарядки та ідентифікатора (рис.1). У цьому випадку під терміном «антени» слід розуміти: провідник будь-якої форми, що утворює ємності, які в науковій літературі також мають назву часткові ємності [2]. У процесі передачі електричної енергії магнітна складова електромагнітного поля значно менша за електричну складову, на відміну від передачі за допомогою випромінювання електромагнітної енергії.

Рис. 1. Підзарядка ідентифікаторів: r – радіус пластинчастих антен; d – відстань, на яку здійснюється бездротова передача енергії; h – відстань між антенами ідентифікатора;
Δ – зміщення ідентифікатора відносно центру блоку підзарядки

Мета

Метою цієї роботи є визначення параметрів процесу безконтактного заряду акумуляторних батарей для малогабаритних електронних пристроїв.

Моделювання та аналіз навантажувальних характеристик

Функціональна схема безконтактної підзарядки акумуляторних батарей представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функціональна схема безконтактної підзарядки акумуляторних батарей

 

Розглянемо принцип роботи блоку підзарядки за цією схемою. Напруга живлення надходить до високочастотного інвертора (ВЧІ), а далі поступає на трансформатор , який використовується для одержання рівня необхідної напруги . Передача енергії від блоку підзарядки до ідентифікатора здійснюється за допомогою часткових ємностей , , , , , між антенами, де 1, 3 – передавальні антени, а 2, 4 – приймальні антени. Навантаження поданої схеми має вигляд індуктивності та еквівалентного навантаження , які разом з частковими ємностями між антенами утворюють резонансну систему представлено у вигляді струмообмежуючого опору , випрямляючого моста VD1 та акумуляторної батареї E. До акумуляторної батареї Е під'єднано електронну схему ідентифікатора (ЕСІ). Трансформатор струму введений у схему для вимірювання значення струму у вторинній обмотці трансформатора Напруга після випрямлена діодним мостом VD2 через -фільтр (R1 та C1) надходить на мікропроцесорну систему керування (МПСК) та генератор Г, імпульси якого керують ВЧІ.

Застосування пластинчастих антен, у по­рівнянні із дротяними антенами [3], дозволяє отримати більший струм заряду, за рахунок збільшення величини часткових ємностей.

Розрахунок енергетичних параметрів схеми передачі енергії проводився методом часткових ємностей між передавальними та приймальними антенами. Еквівалентна схема передачі енергії при цьому є неврівноваженою мостовою схемою.

Розрахунок часткових ємностей проводився з урахуванням результатів праць [3-5]. При цьому необхідно врахувати, що об’єкт, який заряджається, може бути зміщений відносно центру блока підзарядки на величину , де – визначається повітряним зазором між корпусом блока підзарядки та корпусом пристрою, який підзаряджується.

Аналіз проводився методом еквівалентного генератора з додатковим урахуванням крайових ефектів [2], які необхідно врахувати при невеликих розмірах передавальних та приймальних антен та високих робочих частотах, за умов: радіус пластинчастих антен ; відстань, на яку здійснюється бездротова передача енергії, при розташу­ванні об’єкта, що заряджається, по центру блоку підзарядки ; відстань між антенами 2 та 4 (рис. 2) ; частота генератора ; індуктивність котушки ; напруга на вторинній обмотці ; еквівалентний опір навантаження:

, (1)

де струмообмежуючий опір, , , – опір, напруга та зарядний струм акумуляторної батареї. Розміри пластинчастих антен підібрані по формі датчиків-ідентифікаторів.

Ємність відокремленої круглої пластини розраховується за формулою:

; (2)

де – площа пласти; абсолютна діелектрична проникність середовища, для повітря близька до діелектричної проникності вакууму .

Розрахунок часткових ємностей проводився з урахуванням крайових ефектів при умові, що та зміщення ідентифікатора відносно центру блоку підзарядки рівне нулю ():

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

де у формулах (3)-(8): перший множник – ємність пластин без урахування крайових ефектів; другий множник – коефіцієнт , який характеризує вплив крайових ефектів на часткові ємності [2] та його значення залежно від відстані між антенами (табл. 1). Порівняльні дані значень часткових ємностей представлені в табл. 2.

 

Таблиця 1

Розрахункові значення коефіцієнтів А, В і С для різних

Коефіцієнт

Коефіцієнти при врахуванні крайових ефектів

А

B

C

,

,

Таблиця 2

Числові значення часткових ємностей

Часткові ємності

Числові значення

Зміна значення ємності

Без урахування
крайових ефектів

З урахуванням
крайових ефектів

+15%

+60%

+55%

+49%

 

У випадку, коли внутрішнім опором інвертора та трансформатора можна знехтувати, напруга у розімкненій вітці 2-4 визначається за формулою [6]:

, (9)

де , ,

, .

Струм вітки між антенами 4-2:

. (10)

Опір навантаження:

, (11)

.

Струм у навантаженні:

. (12)

Значення переданого струму залежить від таких параметрів, як: напруги на вторинній обмотці трансформатора , відстані та крайових ефектів антен, величини повітряного зазору та зміщення розташування підзарядного об’єкта в блоці підзарядки відносно центру.

Потужність та напруга на навантаженні:

, (13)

. (14)

За наведеними формулами зроблено аналіз струму та напруги навантаження від різних факторів впливу. На рис. 3, а зображена залежність струму навантаження від зміщення ідентифікатора відносно центра блоку підзарядки (за умови, що , , , ,, , ), яка показує, що значення струму навантаження змінюється залежно від величини . Змінюючи одночасно параметри величин , , та f , є можливість отримати незмінне значення струму навантаження, про що свідчить рис. 3, б () та рис. 4, а.

Рис. 3. Залежність струму навантаження від зміщення ідентифікатора (а)
та
відстані d між антенами 1-2 (б)

Зі збільшенням частоти та зменшенням значення індуктивності струм навантаження та напруга на індуктивності при резонансі змінюються повільніше, що ілюструють рис. 4, а та рис. 4, б. Рисунок 5, а відображає зміну струму навантаження від частоти залежно від впливу крайових ефектів передавальних та приймальних антен та показує, що неврахування крайових ефектів може призвести до втрати або недосягнення необхідного значення струму навантаження. Залежно від частоти роботи інвертора та симетричності розташування ідентифікатора в блоці підзарядки струм навантаження набуває різних значень (рис. 5, б).

Рис. 4. Залежність струму навантаження (а) та напруги індуктивності (б) від частоти при фіксованих значеннях індуктивності: 1 – L=400 мкГн; 2 – L=150 мкГн; 3 – L=50 мкГн

Рис. 5. Залежність струму навантаження від частоти: а) 1– з урахуванням крайових ефектів, 2 – без урахування крайових ефектів; б) при різних значеннях зміщення

Введення мікропроцесорної системи керування в схему підзарядки забезпечить визначення резонансної частоти по найбільшому значенню переданого струму. Резонансна частота, при якій досягається максимальне значення переданого струму, залежить від зміщення розташування підзарядного об’єкта відносно центра блоку підзарядки, тому використання МПСК, яка автоматично знаходить резонансну частоту шляхом визначення максимального значення переданого струму, є доцільним.

Висновки

У цій статті проаналізовано вплив геометричних розмірів і розташування приймальних та передавальних антен на величину струму заряду.

Показано, що безконтактна передача енергії можлива, коли відстань, на яку здій­снюється передача енергії, має один порядок з відстанню між передавальними антенами.

Досліджено вплив крайових ефектів для випадку незначних площ пластинчастих антен та великої робочої частоти. Показано, що вплив крайових ефектів на величину часткових ємностей є суттєвим. Значення переданого в навантаження струму зменшується з урахування крайових ефектів.

Показана необхідність введення в схему підзарядки мікропроцесорної системи керування, за допомогою якої є можливість підтримувати струм заряду на певному необхідному рівні незалежно від впливу різних параметрів.

Список використаних джерел

1. Режим доступу: http://www.guardian.co.uk/technology/2006/nov/02/news.egovernment.

2. Ландау Л. Д. Электродинамика сплошных сред / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц // Теоретическая физика. Том 8. – М.: Наука, 1982. – 622 с.

3. Пентегов И. В. Применение тесловских процессов для бесконтактного заряда аккумуляторов портативных электронных и электротехнических устройств / И. В. Пентегов, И. В. Волков, А. Л. Приступа // Технічна електродинаміка. Тем. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2006. – Ч. 2. – C. 16-21.

4. Приступа А. Л. Розвиток теорії та методів розрахунку теслівських процесів щодо передачі енергії без проводів: автореферат на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.09.05 / А. Л. Притступа – Київ, 2008.

5. Пентегов И. В. К теории тесловских процессов зарядки емкостных накопителей энергии / Пентегов И. В. // Электричество. – 1996. – № 6. – С. 42-47.

6. Пентегов И. В. О возможности беспроводной передачи энергии с помощью тесловских про­цессов / И. В. Пентегов, А. Л. Приступа // Техническая электродинамика. – 2005. – № 3. – С. 11-15.