Бездротова зарядка: історія, принцип роботи та стандарти

Бездротова зарядка може одного дня замінити вилки та дроти, подібно до того, як Bluetooth та Wi-Fi модернізували особисте спілкування. Концепція базується на індуктивному зв'язку з використанням електромагнітного поля, яке передає енергію від передавача до приймача.

Бездротова передача енергії не є новою. У 1831 році Майкл Фарадей відкрив індукцію, передаючи електромагнітну силу через простір. Наприкінці 1800-х та на початку 1900-х років Нікола Тесла продемонстрував бездротове мовлення та передачу енергії. Експерименти в Колорадо-Спрінгс у 1899 році призвели до будівництва вежі Ворденкліфф у Нью-Йорку. Тесла хотів довести, що електроенергію можна передавати без проводів, але брак фінансування зупинив проєкт.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше

Лише у 1920-х роках розпочалося суспільне мовлення. У Європі було побудовано масивні передавачі, які охоплювали багато країн. Станція в Беромюнстері у Швейцарії могла передавати радіосигнали потужністю 600 кВт, але законодавство про електросмог та протести місцевого населення обмежили потужність до 180 кВт. Відтоді менші FM-станції замінили ці великі національні передавачі, стільникові ретранслятори та станції Wi-Fi передають з потужністю, що значно менша за цю, і багато з них мають потужність в одиницях ват.

Принцип роботи

Бездротова зарядка має схожість з радіопередачею. Вона надсилає сигнали в умовах ближнього поля, в яких первинна котушка створює магнітне поле, яке вловлюється вторинною котушкою, що знаходиться поблизу. Радіопередавач, навпаки, працює за принципом далекого поля, надсилаючи хвилі, що поширюються крізь простір. У той час як приймальна котушка бездротового зарядного пристрою вловлює більшу частину генерованої енергії, приймальній антені радіо потрібно лише кілька мікровольт (одна мільйонна частка вольта), щоб відновити сигнал, який стає інтелектуальним при посиленні.

Типи бездротової зарядки

Бездротове заряджання класифікується як індуктивне, резонансне та радіочастотне (РЧ) заряджання . Більшість сучасних бездротових зарядних пристроїв використовують індуктивне заряджання на частоті 100-300 кГц з передавальною та приймальною котушками, розташованими поблизу. Електричні зубні щітки були одними з перших споживчих товарів, які застосували цей метод.

Більші акумулятори для електромобілів використовують резонансне заряджання на частоті 6,78 МГц, утворюючи «кільце» котушки. Коливальне магнітне поле працює в радіусі 1 метра (3 фути). Щоб залишатися в полі потужності, відстань між передавальною та приймальною котушками повинна бути в межах чверті довжини хвилі.

Радіо зарядка служить для пристроїв з низькою потужністю, що працюють у радіусі 10 метрів (30 футів) від передавача, для заряджання акумуляторів у медичних імплантатах, слухових апаратах, годинниках, розважальних пристроях та RFID (радіочастотній ідентифікації) чіпах на частоті 900 МГц і вище. Передавач надсилає радіохвилю низької потужності, а приймач перетворює сигнал на енергію. Радіо зарядка, також відома як RF, нагадує радіопередачі; вона пропонує високу гнучкість, але має низьку потужність і піддає людей впливу електросмогу.

Резонансна зарядка не обмежується бездротовими зарядними пристроями високої потужності; вона використовується на всіх рівнях потужності. Хоча система потужністю 3 кВт для заряджання електромобілів досягає заявленої ефективності 93–95 відсотків з повітряним зазором 20 см (8 дюймів), система потужністю 100 Вт має ефективність вище 90 відсотків; однак низькопотужна система потужністю 5 Вт залишається в діапазоні ефективності 75–80 відсотків. Резонансна зарядка все ще перебуває на експериментальній стадії та не отримала широкого використання.

Бездротова зарядка потребувала глобального стандарту, і Консорціум бездротової зарядки (WPC) досяг цього у 2008 році, запровадивши норму Qi. Це відкрило виробникам пристроїв можливість пропонувати зарядні пристрої для пристроїв, сумісних із Qi, потужністю 5 Вт.

Компанія Powermat, учасник Qi, висловила свою думку через суперечку та у 2012 році започаткувала PMA як нову змагальну норму. PMA схожа на Qi, але працює на іншій частоті. Також у 2012 році A4WP, тепер відома як AirFuel, оголосила про резонансну зарядку, яка забезпечує свободу руху та одночасно заряджає кілька пристроїв. У таблиці 1 підсумовано три норми.

Стандарти та розвиток

Qi — це магнітний стандарт, у якому передавальна та приймальна котушки розташовані в лінію; AirFuel — це радіочастотний стандарт, що дозволяє втрату зв'язку для заряджання кількох пристроїв. Використовуються й інші стандарти.

Точиться війна за Qi та PMA. Щоб задовольнити обидві системи, деякі виробники пропонують зарядні пристрої та мобільні пристрої, які відповідають обом стандартам. Це повторення того, як Columbia Records випустила LP (Long Play) на 33 об/хв у 1948 році, а RCA Victor просувала платівку на 45 об/хв з великим отвором. Двошвидкісні грамофони та вставка вирішили проблему.

У 2016 році компанія SAE International випустила стандарт SAE TIR J2954 для електромобілів. Стандартизація дозволяє водіям просто паркувати свої транспортні засоби на місцях з обладнанням TIR J2954, не вживаючи додаткових дій для початку заряджання. SAE TIR J2954 працює на частоті 85 кГц (81,39–90 кГц) і постачається з рівнями передачі живлення по проводах (WPT) 3,7 кВт (WPT 1) та 7,7 кВт (WPT 2). Майбутні релізи включатимуть 11 кВт (WPT 3) та 22 кВт (WPT 4).

Системи, сумісні з TIR J2954, зараз проходять випробування в Міністерстві енергетики США та Національній лабораторії Аргонн. Розгортання з остаточними стандартами відбудеться у 2018 році.

Сучасна бездротова зарядка передбачає складне рукостискання для ідентифікації пристрою, який потрібно зарядити. Коли пристрій розміщується на зарядному килимку, зміна ємності або резонанс виявляє його присутність. Потім килимок передає імпульсний сигнал; кваліфікований пристрій прокидається та реагує, надаючи ідентифікацію та статус сили сигналу. Якість сигналу часто також використовується для покращення позиціонування приймача або посилення магнітного зв'язку між килимком і приймачем.

Зарядний килимок передає живлення лише тоді, коли розпізнає дійсний об'єкт, що відбувається, коли приймач відповідає протоколу, визначеному одним із стандартів сумісності. Під час заряджання приймач надсилає сигнали помилки керування для регулювання рівня потужності. Після повного заряджання або зняття навантаження килимок переходить у режим очікування.

Передавальні та приймальні котушки екрановані для забезпечення хорошого зв'язку та зменшення розсіяного випромінювання. Деякі зарядні килимки використовують вільно рухому передавальну котушку, яка шукає об'єкт, розташований для найкращого зв'язку, інші системи мають кілька передавальних котушок та задіюють ті, що знаходяться поблизу об'єкта.

WPC називає передавачем контролер TX або базовою станцією, а приймач на мобільному пристрої контролером RX або приймачем живлення . Це схоже на трансформатор з первинною та вторинною котушками. На рисунку 2 показано огляд системи бездротової зарядки Qi.

Рисунок 2: Огляд системи бездротової зарядки Qi

Переваги та обмеження

Бездротова зарядка пропонує максимальну зручність для споживачів і дозволяє безпечно заряджати пристрої в небезпечному середовищі, де електрична іскра може спричинити вибух. Вона також дозволяє заряджати пристрої там, де жир, пил або корозія перешкоджають належному електричному контакту. Відсутність електричних контактів також допомагає лікарям стерилізувати хірургічні інструменти. Бездротова зарядка є довговічною та не зношує контакти при багаторазовому введенні.

Виробники електромобілів прагнуть зручності заряджання, і це елегантно вирішується шляхом паркування автомобіля над передавальною котушкою. Інженери говорять про вбудовування зарядних котушок у автомагістралі для безперервної зарядки під час руху або очікування на світлофорі. Це технічно можливо, але висока вартість, низька ефективність та польове випромінювання під час передачі високої потужності залишаються нездоланними проблемами.

Для побутового та комерційного використання Каліфорнійська енергетична комісія (CEC) рівня V вимагає, щоб адаптери змінного струму відповідали мінімальному коефіцієнту ефективності 85 відсотків; рівень V Energy Star вимагає 87 відсотків (європейський стандарт CE використовує CEC як основу). Додавання втрат адаптера змінного струму до бездротової зарядки ще більше знижує загальну ефективність, оскільки коефіцієнт індуктивної передачі становить лише 75–80 відсотків. Такі втрати накопичуються, якщо врахувати, що приблизно мільярд зарядних пристроїв для мобільних телефонів підключено до розеток змінного струму по всьому світу. Щоб підвищити ефективність та відповідати вимогам Energy Star, WPC об'єднує потреби в потужності в одне перетворення енергії.

Втрачена енергія перетворюється на тепло, і бездротовий зарядний пристрій може досить сильно нагріватися під час заряджання. Це створює навантаження на акумулятор пристрою, коли він лежить на килимку. Слід зазначити, що нагрівання відбувається лише під час заряджання, зарядний килимок охолоджується після повного заряджання акумулятора.

Компанія WPC дуже обережно підійшла до випуску Qi; перша версія має максимальну потужність 5 Вт. Версія середньої потужності до 120 Вт знаходиться в розробці, але ця норма має відповідати суворим стандартам радіації перед випуском. Радіація викликає занепокоєння щодо здоров'я, і ​​це питання висловлюють люди, які живуть поруч із вежами мобільного зв'язку та станціями Wi-Fi.

Електромагнітна енергія від радіовеж, мобільних телефонів, Wi-Fi, а тепер і бездротової зарядки класифікується як неіонізуюче випромінювання і вважається нешкідливою. Іонізуючі промені від рентгенівських променів, з іншого боку, можуть спричинити рак. Зі зростанням кількості неіонізуючих пристроїв люди також починають сумніватися в безпеці цього виду випромінювання. Регулюючі органи спостерігають за можливими ризиками для здоров'я та запровадять обмеження, якщо шкода буде доведена.

Проблеми зі здоров'ям, спричинені електромагнітними хвилями, не є остаточними, проте носіння мобільного телефону близько до тіла викликає занепокоєння. У режимі очікування пристрій постійно шукає зв'язок з вежею, передаючи перериви сигналу. Потужність передачі регулюється залежно від близькості до вежі та вища у віддалених районах.

Перехід на бездротовий зв'язок вимагає 25-відсоткової надбавки до вартості зарядної станції, що також впливає на приймач. Для споживачів, які не хочуть платити ціну, зарядка за допомогою дротів залишається прийнятною альтернативою. Птахи, які шукають відсутні дроти, оцінять цей крок.

Рисунок 3: Плюси та мінуси бездротової зарядки.
Бездротова зарядка забезпечує зручність, але дроти пропонують практичну альтернативу, яку птахи підтримають.