Беспроводная зарядка: история, принцип работы и стандарты

Беспроводная зарядка может однажды заменить вилки и провода, подобно тому, как Bluetooth и Wi-Fi модернизировали личное общение. Концепция базируется на индуктивной связи с использованием электромагнитного поля, которое передает энергию от передатчика к приемнику.

Беспроводная передача энергии не нова. В 1831 году Майкл Фарадей открыл индукцию, передавая электромагнитную силу через пространство. В конце 1800-х и начале 1900-х годов Никола Тесла продемонстрировал беспроводное вещание и передачу энергии. Эксперименты в Колорадо-Спрингс в 1899 году привели к строительству башни Уорденклифф в Нью-Йорке. Тесла хотел доказать, что электроэнергию можно передавать без проводов, но нехватка финансирования остановила проект.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше

Лишь в 1920-х годах началось общественное вещание. В Европе были построены массивные передатчики, охватывавшие многие страны. Станция в Беромюнстере в Швейцарии могла передавать радиосигналы мощностью 600 кВт, но законодательство об электросмоге и протесты местного населения ограничили мощность до 180 кВт. С тех пор меньшие FM-станции заменили эти большие национальные передатчики, сотовые ретрансляторы и станции Wi-Fi передают с мощностью, значительно меньшей этой, и многие из них имеют мощность в единицах ватт.

Принцип работы

Беспроводная зарядка имеет сходство с радиопередачей. Она посылает сигналы в условиях ближнего поля, в которых первичная катушка создает магнитное поле, улавливаемое вторичной катушкой, находящейся поблизости. Радиопередатчик, напротив, работает по принципу дальнего поля, посылая волны, распространяющиеся в пространстве. В то время как приемная катушка беспроводного зарядного устройства улавливает большую часть генерируемой энергии, приемной антенне радио требуется всего несколько микровольт (одна миллионная часть вольта), чтобы восстановить сигнал, который становится интеллектуальным при усилении.

Типы беспроводной зарядки

Беспроводная зарядка классифицируется как индуктивная, резонансная и радиочастотная (РЧ) зарядка. Большинство современных беспроводных зарядных устройств используют индуктивную зарядку на частоте 100-300 кГц с передающей и приемной катушками, расположенными близко друг к другу. Электрические зубные щетки были одними из первых потребительских товаров, применивших этот метод.

Более крупные аккумуляторы для электромобилей используют резонансную зарядку на частоте 6,78 МГц, образуя «кольцо» катушки. Колебательное магнитное поле работает в радиусе 1 метра (3 фута). Чтобы оставаться в поле мощности, расстояние между передающей и приемной катушками должно быть в пределах четверти длины волны.

Радиозарядка служит для устройств с низкой мощностью, работающих в радиусе 10 метров (30 футов) от передатчика, для зарядки аккумуляторов в медицинских имплантатах, слуховых аппаратах, часах, развлекательных устройствах и RFID (радиочастотной идентификации) чипах на частоте 900 МГц и выше. Передатчик посылает радиоволну низкой мощности, а приемник преобразует сигнал в энергию. Радиозарядка, также известная как RF, напоминает радиопередачи; она предлагает высокую гибкость, но имеет низкую мощность и подвергает людей воздействию электросмога.

Резонансная зарядка не ограничивается беспроводными зарядными устройствами высокой мощности; она используется на всех уровнях мощности. Хотя система мощностью 3 кВт для зарядки электромобилей достигает заявленной эффективности 93–95 процентов с воздушным зазором 20 см (8 дюймов), система мощностью 100 Вт имеет эффективность выше 90 процентов; однако низкомощная система на 5 Вт остается в диапазоне эффективности 75–80 процентов. Резонансная зарядка все еще находится на экспериментальной стадии и не получила широкого использования.

Беспроводная зарядка нуждалась в глобальном стандарте, и Консорциум беспроводной энергетики (WPC) достиг этого в 2008 году, введя стандарт Qi. Это открыло производителям устройств возможность предлагать зарядные устройства для устройств, совместимых с Qi, мощностью 5 Вт.

Компания Powermat, участник Qi, выразила свое мнение из-за разногласий и в 2012 году основала PMA как новый конкурирующий стандарт. PMA похож на Qi, но работает на другой частоте. Также в 2012 году A4WP, теперь известная как AirFuel, анонсировала резонансную зарядку, которая обеспечивает свободу движения и одновременно заряжает несколько устройств. В таблице 1 подведены итоги по трем стандартам.

Стандарты и развитие

Qi — это магнитный стандарт, в котором передающая и приемная катушки расположены на одной линии; AirFuel — это радиочастотный стандарт, допускающий потерю связи для зарядки нескольких устройств. Используются и другие стандарты.

Идет война за Qi и PMA. Чтобы удовлетворить обе системы, некоторые производители предлагают зарядные устройства и мобильные устройства, соответствующие обоим стандартам. Это повторение того, как Columbia Records выпустила LP (Long Play) на 33 об/мин в 1948 году, а RCA Victor продвигала пластинку на 45 об/мин с большим отверстием. Двухскоростные проигрыватели и вставка решили проблему.

В 2016 году компания SAE International выпустила стандарт SAE TIR J2954 для электромобилей. Стандартизация позволяет водителям просто парковать свои транспортные средства на местах с оборудованием TIR J2954, не предпринимая дополнительных действий для начала зарядки. SAE TIR J2954 работает на частоте 85 кГц (81,39–90 кГц) и поставляется с уровнями передачи питания по проводам (WPT) 3,7 кВт (WPT 1) и 7,7 кВт (WPT 2). Будущие релизы будут включать 11 кВт (WPT 3) и 22 кВт (WPT 4).

Системы, совместимые с TIR J2954, сейчас проходят испытания в Министерстве энергетики США и Национальной лаборатории Аргонн. Развертывание с окончательными стандартами произойдет в 2018 году.

Современная беспроводная зарядка предполагает сложное рукопожатие для идентификации устройства, которое нужно зарядить. Когда устройство размещается на зарядном коврике, изменение емкости или резонанс обнаруживает его присутствие. Затем коврик передает импульсный сигнал; квалифицированное устройство просыпается и реагирует, предоставляя идентификацию и статус силы сигнала. Качество сигнала часто также используется для улучшения позиционирования приемника или усиления магнитной связи между ковриком и приемником.

Зарядный коврик передает питание только тогда, когда распознает действительный объект, что происходит, когда приемник соответствует протоколу, определенному одним из стандартов совместимости. Во время зарядки приемник посылает сигналы ошибки управления для регулировки уровня мощности. После полной зарядки или снятия нагрузки коврик переходит в режим ожидания.

Передающая и приемная катушки экранированы для обеспечения хорошей связи и уменьшения рассеянного излучения. Некоторые зарядные коврики используют свободно движущуюся передающую катушку, которая ищет объект, расположенный для наилучшей связи, другие системы имеют несколько передающих катушек и задействуют те, что находятся вблизи объекта.

WPC называет передатчик контроллером TX или базовой станцией, а приемник на мобильном устройстве — контроллером RX или приемником питания. Это похоже на трансформатор с первичной и вторичной катушками. На рисунке 2 показан обзор системы беспроводной зарядки Qi.

Рисунок 2: Обзор системы беспроводной зарядки Qi

Преимущества и ограничения

Беспроводная зарядка предлагает максимальное удобство для потребителей и позволяет безопасно заряжать устройства в опасной среде, где электрическая искра может вызвать взрыв. Она также позволяет заряжать устройства там, где жир, пыль или коррозия препятствуют надлежащему электрическому контакту. Отсутствие электрических контактов также помогает врачам стерилизовать хирургические инструменты. Беспроводная зарядка долговечна и не изнашивает контакты при многократном подключении.

Производители электромобилей стремятся к удобству зарядки, и это элегантно решается путем парковки автомобиля над передающей катушкой. Инженеры говорят о встраивании зарядных катушек в автомагистрали для непрерывной зарядки во время движения или ожидания на светофоре. Это технически возможно, но высокая стоимость, низкая эффективность и полевое излучение при передаче высокой мощности остаются непреодолимыми проблемами.

Для бытового и коммерческого использования Калифорнийская энергетическая комиссия (CEC) уровня V требует, чтобы адаптеры переменного тока соответствовали минимальному коэффициенту эффективности 85 процентов; уровень V Energy Star требует 87 процентов (европейский стандарт CE использует CEC в качестве основы). Добавление потерь адаптера переменного тока к беспроводной зарядке еще больше снижает общую эффективность, поскольку коэффициент индуктивной передачи составляет всего 75–80 процентов. Такие потери накапливаются, если учесть, что примерно миллиард зарядных устройств для мобильных телефонов подключены к розеткам переменного тока по всему миру. Чтобы повысить эффективность и соответствовать требованиям Energy Star, WPC объединяет потребности в мощности в одно преобразование энергии.

Потерянная энергия преобразуется в тепло, и беспроводное зарядное устройство может довольно сильно нагреваться во время зарядки. Это создает нагрузку на аккумулятор устройства, когда оно лежит на коврике. Следует отметить, что нагрев происходит только во время зарядки, зарядный коврик охлаждается после полной зарядки аккумулятора.

Компания WPC очень осторожно подошла к выпуску Qi; первая версия имеет максимальную мощность 5 Вт. Версия средней мощности до 120 Вт находится в разработке, но эта норма должна соответствовать строгим стандартам радиации перед выпуском. Радиация вызывает беспокойство о здоровье, и этот вопрос поднимают люди, живущие рядом с вышками мобильной связи и станциями Wi-Fi.

Электромагнитная энергия от радиовышек, мобильных телефонов, Wi-Fi, а теперь и беспроводной зарядки классифицируется как неионизирующее излучение и считается безвредной. Ионизирующие лучи от рентгеновских лучей, с другой стороны, могут вызвать рак. С ростом количества неионизирующих устройств люди также начинают сомневаться в безопасности этого вида излучения. Регулирующие органы наблюдают за возможными рисками для здоровья и введут ограничения, если вред будет доказан.

Проблемы со здоровьем, вызванные электромагнитными волнами, не являются окончательными, однако ношение мобильного телефона близко к телу вызывает беспокойство. В режиме ожидания устройство постоянно ищет связь с вышкой, передавая прерывистые сигналы. Мощность передачи регулируется в зависимости от близости к вышке и выше в отдаленных районах.

Переход на беспроводную связь требует 25-процентной надбавки к стоимости зарядной станции, что также влияет на приемник. Для потребителей, которые не хотят платить цену, зарядка с помощью проводов остается приемлемой альтернативой. Птицы, которые ищут отсутствующие провода, оценят этот шаг.

Рисунок 3: Плюсы и минусы беспроводной зарядки.
Беспроводная зарядка обеспечивает удобство, но провода предлагают практичную альтернативу, которую птицы поддержат.