Конструирование модуля беспроводной зарядки для автономного робота
Последние несколько дней я разбирался с задачей проектирования конструкции беспроводной зарядки для создаваемого нашим КБ автономного робота. В предыдущей версии, на роботе Scorpy в качестве беспроводной зарядки использовался готовый комплект приемника-передатчика, с диаметром антенн 4 см и мощностью в приеме 0,5Вт (100 мА при напряжении 5В) при 5Вт потребления на передающей станции (5В, 1А). Этой мощности не было достаточно для запитывания аккумуляторных батарей и применялся только в качестве сигнализации заезда на базовую станцию.
На сегодня для решения задачи беспроводной зарядки применяется технология электромагнитной индукции, реализованный в двух основные технологиях передачи энергии:
- магнитно-индукционный MI (Magnetic Induction), в которой используются сильно связанные катушки, где дистанция между приёмной и передающей антенной меньше длины волны и составляет несколько миллиметров (от 5 до 40 мм) и мощностью передачи до 5Вт.
- магнитно-резонансный MR (Magnetic Resonant) со слабо связанными катушками, с большим расстоянием эффективной передачи энергии, до 2-3 метров и мощностью от 40Вт до нескольких киловатт.
Схема работы беспроводной зарядки на принципе магнито-связанных катушках
Отличие этих двух вариантов в использовании резонанса приемо-передающего каскада. В индукционной схеме резонансный режим не используется. Частоты, на которых работают технологии беспроводной связи - от 100 до 375кГц.
Эти технологии хорошо описаны с технической точки зрения и защищены более 50 патентами. Эффективность передачи энергии сильно зависит от взаимного расположения катушек, размера, частоте, ориентации, числа витков и т.п., отраженных в разработанных стандартах. Сегодня применяются несколько несколько таких стандартов беспроводной передачи, разработанных консорциумами, объединивших в себе крупных игроков этого рынка. При этом наблюдается участие одной организации в нескольких консорциумах, наиболее известные из них это Wireless Power Consortium (WPC), PMA, A4WP. Какие это стандарты:
- QI (эпическое название энергии Ци, китайской культуры). Этот стандарт разработан консорциумом WPC и развивает оба направления передачи энергии, - как индукционное на малых расстояниях, так и резонансно-индукционное на большие расстояния. В первом случае применяется для зарядки мобильных телефонов, с развитием на поддержку зарядки для планшетов, ноутбуков, обладающих большим энергопотреблением.
- PMA.
Общая схема построения таких систем
КПД таких систем заявляются производителями порядка 97%, но практика показывает реальную передачу энергии порядка 50-60%. Стандартами предусматривается применение нескольких катушек для сильно-связанных катушек. Для зарядки нескольких устройств - применяется схема магнитно-резонансного стандарта беспроводной связи с соотношением 12:1.
Попытка самостоятельной реализации этих стандартов при разработке схемы беспроводной зарядки нашего робота получила следующие результаты:
- Конструкция с сильно-связанными катушками, магнитно-индукционная схема. Результат оказался слабый и потребовалась доработка схемы, поиска резонанса двух связанных катушек.
Для новой версии автономного робота, где используется три отдельных аккумулятора Li-Pol 3.7V 2300mA, была взята за основу двухкаскадная схема на полевых транзисторах IRFZ44N.
Собранная схема не давала хорошие результаты, и потребовалось значительно ее доработать, внеся режим резонанса выходных контуров.
В результате получилась конструкция беспроводной зарядки для ровера, с тремя аккумуляторными батареями по 3,7В емкостью 2300мАч.
Консорциум WPC исследует магнитно-резонансные системы как перспективные для применения беспроводной зарядки. Однако в этом есть существенный недостаток, поскольку энергия убывает с квадратом расстояния и узконаправленная передача энергии на большие расстояния не имеет практических решений. Поиск среди патентов подходящих для этого решений не дало результата.
Что известно о других технологиях беспроводной передачи… где искать решение для более эффективной передачи энергии для применения на создаваемых нами автономных роботах?...
Не знаю как в других странах, а в России еще сегодня встречаются антенны и алюминиевых баночек из под напитков, а еще недавно это было повальным увлечением радиотехников и простых пользователей, хотя бы немного знакомых с телевизионным вещанием и желанием получить более качественный прием телевизионных программ оригинальным способом, не описанных в учебниках по антеннам и телевизионному вещанию. О чем собственно речь.
Эти антенны известны как EH-антенны или CFA. В 80-90 они наделали много шума, поскольку они никак не вписывались в традиционную физику антенно-фидерных устройств, используемых в качестве антенны для телевизионных приемников. Проблема в том, что принцип действия этих антенн, не удается объяснить, применяя классический подход к тому, что по необъяснимым причинам и назло скептикам работало и обеспечивало хороший уверенный прием.
Детальный разбор работы этих антенн отравляет исследователей банок к вихревым волновым процессам. Основное противоречие классической физикой процессов в том, что эти антенны никак не связаны с длиной волны, ни пол-волны, ни четверть… т.е. принципах, на которых работают классические антенны радиосвязи. Никак не могли принять то, что это новые принципы радиосвязи, на другом фундаменте. Фундамент построен на вращательном а не поступательном движении электрических зарядов, основе волновых процессов передачи энергии. Основное, важно в этом фундаменте - это разница в условиях передачи энергии, - при поступательном движении электрических зарядов энергия убывает с квадратом расстояния, при вращательном движении зарядового вихря, энергия убывает пропорционально радиусу вихревого тора, что значительно меньше.
Это новый фундамент для развития более эффективных систем передачи энергии. Будет ли это новое устройство прежде его теоретического обоснования не имеет значения, необходимы повторяемые технологии создания новых устройств на этом фундаментальном принципе передачи энергии.
Собранная схема не давала хорошие результаты, и потребовалось значительно ее доработать, внеся режим резонанса выходных контуров.
Выводы и планы на последующие разработки
- Передача энергии без проводов - это удобный способ восстановления энергии аккумуляторных батарей роботов. Простота будет увеличиваться когда повысится дальность действия и КПД передачи энергии.
- магнитно-индукционный способ очень критичен к размещению приемной антенны на передающей базе и желательно найти более эффективный способ передачи энергии.
- рассматривать магнитно-резонансные системы и выполнить поиск решений на других технологиях (известные теоретически, но не используемые или мало используемые сегодня на практике).
- Применение контроллера зарядки на основе Arduino с выдачей на ШИМ порт управляющего сигнала для выходных каскадов полевых транзисторов.
Консорциум WPC исследует магнитно-резонансные системы как перспективные для применения беспроводной зарядки. Однако в этом есть существенный недостаток, поскольку энергия убывает с квадратом расстояния и узконаправленная передача энергии на большие расстояния не имеет практических решений. Поиск среди патентов подходящих для этого решений не дало результата.
Что известно о других технологиях беспроводной передачи… где искать решение для более эффективной передачи энергии для применения на создаваемых нами автономных роботах?...
Немного истории
Не знаю как в других странах, а в России еще сегодня встречаются антенны и алюминиевых баночек из под напитков, а еще недавно это было повальным увлечением радиотехников и простых пользователей, хотя бы немного знакомых с телевизионным вещанием и желанием получить более качественный прием телевизионных программ оригинальным способом, не описанных в учебниках по антеннам и телевизионному вещанию. О чем собственно речь.
Детальный разбор работы этих антенн отравляет исследователей банок к вихревым волновым процессам. Основное противоречие классической физикой процессов в том, что эти антенны никак не связаны с длиной волны, ни пол-волны, ни четверть… т.е. принципах, на которых работают классические антенны радиосвязи. Никак не могли принять то, что это новые принципы радиосвязи, на другом фундаменте. Фундамент построен на вращательном а не поступательном движении электрических зарядов, основе волновых процессов передачи энергии. Основное, важно в этом фундаменте - это разница в условиях передачи энергии, - при поступательном движении электрических зарядов энергия убывает с квадратом расстояния, при вращательном движении зарядового вихря, энергия убывает пропорционально радиусу вихревого тора, что значительно меньше.
Это новый фундамент для развития более эффективных систем передачи энергии. Будет ли это новое устройство прежде его теоретического обоснования не имеет значения, необходимы повторяемые технологии создания новых устройств на этом фундаментальном принципе передачи энергии.
