Способ беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты Российский патент 2019 года по МПК H02J50/00 

Изобретение относится к технике построения волноводных структур, направленных ответвителей, устройств на их основе и может быть использовано для беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, необходимой, например, для беспроводной зарядки аккумуляторных батарей, реализуемой при выпрямлении токов высокой частоты.

Известны способы беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, используемые для бесконтактной (беспроводной) зарядки батарей мобильных телефонов и других современных гаджетов. Данные способы беспроводной передачи энергии, используемые для зарядки аккумуляторных батарей, объединяются в т.н. стандарт Ци («Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging» (Электронный ресурс). — https://www.prnewswire.com/news-releases/global-qi-standard-powers-up-wireless-charging-102043348.html или «Guidelines for Automotive Aftermarket Qi/ Chargers The Wireless Power Consortium 2012 2012/10/01»). Стандарт Ци подразумевает использование магнитной связи между плоскими катушками индуктивности, возникающей на относительно низких рабочих частотах, исчисляемыми десятками или сотнями килогерц. Однако данный способ передачи энергии характеризуется крайне малым рабочим расстоянием между элементами системы передачи энергии. Эффективная передача энергии осуществляется практически при полном контакте поверхностей элементов передачи энергии. При расстоянии между поверхностями уже в 3-5 мм передача энергии прекращается.

Работа устройства с увеличенным расстоянием действия основана на принципе магниторезонансной передачи энергии и описана в работах Kurs A., Karalis A., Moffatt R., Joannopoulos J. D., Fisher P., Soljačić M. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science, 06 Jul 2007, Vol. 317, Issue 5834, pp. 83-86б, DOI: 10.1126/science.1143254; или Karalis A., Joannopoulos J. D., Soljačić M. “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics 323 (2008) P. 34–48; или Goodbye wires! MIT team experimentally demonstrates wireless power transfer, potentially useful for powering laptops, cell phones without cords (Электронный ресурс). — http://news.mit.edu/2007/wireless-0607. По заверениям авторов, передача энергии может осуществляться изотропно и на значительные расстояния, достигающие нескольких метров. Однако работа такого устройства является небезопасной для живых организмов, находящихся в непосредственной близости от системы беспроводной передачи энергии, особенно если уровень передаваемой мощности излучения поднять до нескольких ватт и более.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство беспроводной передачи энергии описанное в работе Pchelnikov Yu.N., Yelizarov A.A., Pchelnikov A.G. “Wireless charging mechanism for outdoor appliance,” IEEE Proc. 23rd International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology,” Sevastopol, Crimea, Ukraine, 9—13 September 2013, pp. 1058—1059, ссылаемой на патент RU2142182. По описанию работ авторов, такое устройство состоит из двух магнитных антенн, каждая из которых состоит из двух спиралей, навитых в разных направлениях, в результате чего такая антенна, находясь в свободном пространстве, не излучает электромагнитной энергии. Поле, излучаемое спиралями в отдельности, взаимно компенсируется, излучение энергии отсутствует. При наличии в непосредственной близости такой магнитной антенны, в ее плоскости точно такой же структуры, между этими магнитными антеннами возникает сильная магнитная связь и осуществляется передача энергии. Рабочее расстояние такой системы, по заверениям авторов, может достигать нескольких сантиметров и более. К сожалению, в работах не приводится данных по практической реализации данного метода, не приводятся результаты симуляции работы таких устройств. Кроме того, сами устройства, судя по приведенным в работах рисункам, являются достаточно сложными в изготовлении.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции элементов системы беспроводной передачи энергии, уменьшение непроизводительных потерь энергии, обусловленных ее излучением в свободное пространство, и теряемой в подводящих фидерах и элементах конструкции генерирующих устройств, а также снижение вредного влияния энергии излучаемых высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии.

Поставленная цель достигается тем, что по способу беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты первоначально генерируют высокочастотные колебания малой мощности и подают эти колебания через измеритель коэффициента стоячей волны на первый конец первой микрополосковой линии передачи определенной длины, второй конец которой замыкают на землю или оставляют свободным, причем микрополосковую линию передачи для экономии места сворачивают в спираль, при этом к первой микрополосковой линии передачи подносят вторую микрополосковую линию передачи такой же длины, второй конец которой также замыкают на землю или оставляют свободным, причем вторую микрополосковую линию передачи также для экономии места сворачивают в спираль, причем сворачивание в спираль второй микрополосковой линии передачи осуществляют зеркально по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой линии передачи, при этом вторую микрополосковую линию передачи подносят к первой микрополосковой линии передачи лицом, при этом между двумя отдельными микрополосковыми линиями передачи организуют сильную лицевую связь и тем самым две отдельные микрополосковые линии передачи преобразуют в один направленный ответвитель с лицевой связью на симметричных полосковых линиях передачи, при этом с первого конца второй микрополосковой линии передачи снимают высокочастотные колебания, энергию которых используют далее по назначению, при этом измеряют коэффициент стоячей волны на первом конце первой микрополосковой линии передачи и оценивают его уровень, при этом, если уровень коэффициента стоячей волны велик, то принимают решение о том, что вторая микрополосковая линия передачи отнесена от первой микрополосковой линии передачи достаточно далеко, либо отсутствует вовсе, при этом уровень мощности первоначально генерируемых высокочастотных колебаний оставляют малым, при этом минимизируют непроизводительные потери энергии, вместе с тем, если уровень коэффициента стоячей волны падает ниже некоторого определенного значения, то принимают решение о том, что вторая микрополосковая линия передачи поднесена к первой микрополосковой линии передачи достаточно близко, между ними возникла сильная лицевая связь, и по этому факту уровень мощности генерируемых высокочастотных колебаний делают большим и организуют тем самым эффективную беспроводную передачу энергии от генератора высокочастотных колебаний к нагрузке через две микрополосковые линии передачи с сильной лицевой связью, при этом вредное влияние энергии высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии, сводят к нулю, поскольку направленный ответвитель, образованный по факту симметричными полосковыми линиями передачи с лицевой связью не производит излучения энергии в свободное пространство.

Данные свойства предполагаемого изобретения являются новыми, поскольку другие способы беспроводной передачи энергии характеризуются известной сложностью конструкции, характеризуются значительными непроизводительными потерями энергии и оказывают вредное влияние на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии.

Указанный способ беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты можно реализовать с помощью устройства, показанного на фиг. 1.

Устройство беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты состоит из генератора высокочастотных колебаний 1, измерителя коэффициента стоячей волны 2, порогового устройства 3, первой микрополосковой линии передачи 4, второй микрополосковой линии передачи 5, нагрузки 6.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с высокочастотным входом измерителя коэффициента стоячей волны 2, высокочастотный выход которого соединен с первым выводом первой микрополосковой линии передачи 4, второй вывод которой закорочен на землю или оставлен свободным (как это показано на фиг. 1), при этом информационный выход измерителя коэффициента стоячей волны 2 соединен с входом порогового устройства 3, выход которого соединен с входом управления генератора высокочастотных колебаний 1, при этом первый вывод второй микрополосковой линии передачи 5 соединен с нагрузкой 6, второй вывод которой закорочен на землю или оставлен свободным (как это показано на фиг. 1).

Работает устройство беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты следующим образом.

С помощью генератора высокочастотных колебаний 1 первоначально генерируют высокочастотные колебания малой мощности. Эти высокочастотные колебания подают через измеритель коэффициента стоячей волны 2 на первый конец первой микрополосковой линии передачи 4 определенной длины. Длина микрополосковой линии передачи 4 определят рабочий диапазон частот системы беспроводной передачи энергии. Для экономии места микрополосковую линию передачи 4 сворачивают в спираль. Второй конец первой микрополосковой линии передачи 4 замыкают на землю или оставляют свободным, что обеспечивает полное отражение от второго конца первой микрополосковой линии передачи 4 высокочастотных колебаний, распространяющихся от ее первого конца ко второму. При этом непроизводительные потери энергии в микрополосковой линии передачи и в ее нагрузке отсутствуют. При отсутствии второй микрополосковой линии передачи 5 вся энергия высокочастотного сигнала отражается от закороченного или свободного конца первой микрополосковой линии 4 и возвращается к генератору высокочастотных колебаний 1 через измеритель коэффициента стоячей волны 2. Измеритель коэффициента стоячей волны 2 формирует на своем информационном выходе уровень напряжения, пропорциональный коэффициенту стоячей волны. Это напряжение сравнивают в пороговом устройстве 3 с некоторым пороговым уровнем, характеризующим пороговое значение коэффициента стоячей волны. При превышении этого напряжения на информационном выходе измерителя коэффициента стоячей волны 2 заданного порогового уровня пороговое устройство 3 формирует на своем выходе соответствующий сигнал, который оставляет генератор высокочастотных колебаний в режиме генерации сигналов малой мощности.

Далее к первой микрополосковой линии передачи 4 подносят вторую микрополосковую линию передачи 5 такой же длины. Второй конец второй микрополосковой линии передачи 5 также замыкают на землю или оставляют свободным. Вторая микрополосковая линия передачи также для экономии места свернута в спираль, причем сворачивание в спираль второй микрополосковой линии передачи 5 осуществляют зеркально по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой линии передачи 4.

При приближении второй микрополосковой линии передачи 5 к первой микрополосковой линии передачи 4 часть энергии высокочастотных колебаний перетекает из первой микрополосковой линии 4 во вторую микрополосковую линию 5. Далее высокочастотные колебания распространяются во второй микрополосковой линии 5 от ее второго конца к первому концу, и энергия этих высокочастотных колебаний попадает в нагрузку 6. Другая часть энергии, которая не перетекла из первой микрополосковой линии 4 во вторую микрополосковую линию 5, распространяется в первой микрополосковой линии 4 до ее второго конца, где высокочастотные колебания полностью отражаются и распространяются далее в первой микрополосковой линии 4 от ее второго конца к первому. Часть энергии этих колебаний также перетекает во вторую микрополосковую линию 5. Далее высокочастотные колебания распространяются от ее первого конца ко второму. Отразившись от закороченного или свободного второго конца второй микрополосковой линии 5, высокочастотные колебания распространяются во второй микрополосковой линии 5 и попадают в нагрузку 6, повышая тем самым коэффициент передачи энергии из первой микрополосковой линии 4 во вторую микрополосковую линию 5.

Процесс передачи высокочастотной энергии был промоделирован в пакете прикладных программ Microwave Office. Электромагнитная структура, составляющая две микрополосковые линии, объединенные в один направленный ответвитель, показана на фиг. 2 (2D изображение) и фиг. 3 (3D изображение). Расстояние между двумя микрополосковыми линиями было взято равным 10 мм. Результат моделирования процесса перетекания энергии показан на Фиг. 4.

Одна кривая, отмеченная квадратными маркерами, отображает изменение коэффициента передачи энергии сигнала S(2,1) от частоты колебаний в направленном ответвителе, образованном двумя микрополосковыми линиями передачи, обращенными лицом друг к другу. Первый максимум наблюдается на частоте, которая характеризирует длину линии передачи, равную четверти длины волны высокочастотных колебаний в этой микрополосковой линии передачи. Коэффициент передачи энергии на этой частоте невелик. Зато уже при четвертом максимуме (четыре четверти длины волны) коэффициента передачи энергии сигнала S(2,1) достигает величины коэффициента передачи –0,88 дБ, что является совершенно приемлемым для организации процесса беспроводной передачи энергии от генератора высокочастотных колебаний 1 к нагрузке 6.

Другая кривая, отмеченная треугольными маркерами, отображает изменение коэффициента возвратных потерь энергии сигнала S(1,1) от частоты колебаний в первой микрополосковой линии передачи. Эта величина характеризует коэффициент стоячей волны высокочастотных колебаний в первой микрополосковой линии передачи 5. Совершенно очевидно, что эта кривая имеет обратный осциллирующий характер по отношению к первой кривой.

На частоте четвертого максимума коэффициента передачи энергии высокочастотных колебаний возвратные потери опускаются ниже уровня –10 дБ, что соответствует снижению коэффициента стоячих волн ниже 2. Это значение коэффициента стоячих волн, например, можно принять как пороговое. При уменьшении уровня возвратных потерь ниже –10 дБ (снижении коэффициента стоячих волн ниже 2) пороговое устройство 3 срабатывает и переводит своим сигналом генератор высокочастотных колебаний 1 в режим генерации сигнала максимальной мощности, обеспечивая тем самым эффективную передачу энергии высокочастотных колебаний от генератора высокочастотных колебаний 1 в нагрузку 6. Непроизводительные потери энергии высокочастотных колебаний сводятся при этом к минимуму. Поскольку передача энергии осуществляется в объединенном направленном ответвителе, реализованном по факту на симметричных полосковых линиях с лицевой связью, а не микрополосковых линиях, если рассматривать их в отдельности, то излучение высокочастотной энергии в свободное пространство практически полностью отсутствует.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности эффективно, с минимальными потерями, передавать энергию сигнала генератора высокочастотных колебаний в нагрузку без проводов. При этом конструкция устройства, реализующего данный способ беспроводной передачи энергии, предельно проста.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с исключением вредного воздействия энергии высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии. При соединении двух микрополосковых линий в один направленный ответвитель на симметричных полосковых линиях с лицевой связью, излучение высокочастотной энергии в свободное пространство практически полностью отсутствует и не оказывает никакого влияния на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии, даже при повышенных уровнях передаваемой мощности. При разъединении микрополосковых линий и удалении второй микрополосковой линии достаточно далеко, вредного излучения энергии высокой частоты также не происходит. Это обусловлено тем, что микрополосковая линия передачи также обладает малым паразитным излучением энергии распространяющегося в ней сигнала с одной стороны. С другой стороны, при отсутствии второй, сопряженной микрополосковой линии передачи коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой линии передачи становится большим. При превышении этого коэффициента выше некоторой пороговой величины уровень вырабатываемой генератором высокочастотных колебаний мощности понижается до предельно малой величины, совершенно безопасной для человека, даже если принимать во внимание ее полное излучение в свободное пространство. Эта малая мощность устанавливается на уровне, необходимом и достаточном для осуществления измерения коэффициента стоячих волн в первой микрополосковой линии передачи. Помимо отсутствия вредного воздействия на биологические организмы в этом случае происходит существенная экономия энергии, так как генератор высокочастотных колебаний в режиме генерации малой мощности характеризуется также малыми непроизводительными потерями, абсолютными по величине.

Использование: в области электротехники для беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты. Технический результат - упрощение конструкции элементов системы беспроводной передачи энергии, уменьшение непроизводительных потерь энергии, обусловленных ее излучением в свободное пространство, и теряемой в подводящих фидерах и элементах конструкции генерирующих устройств, а также снижение вредного влияния энергии излучаемых высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии. Согласно способу используются две несимметричные микрополосковые линии передачи, которые при приближении их друг к другу лицом образуют направленный ответвитель на симметричных полосковых линиях с лицевой связью, характеризующихся высоким коэффициентом передачи энергии сигнала из одной линии в другую и малым паразитным излучением энергии в свободное пространство. При этом неиспользуемые концы микрополосковых линий закорачивают на землю или оставляют свободными. Дополнительно в первой микрополосковой линии передачи измеряют коэффициент стоячей волны. При отсутствии или значительном удалении второй микрополосковой линии передачи коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой линии передачи велик. При этом генератор высокочастотных сигналов, вырабатывающий энергию для передачи, переводят в режим генерации малой мощности, уровень которой необходим исключительно для осуществления измерения коэффициента стоячей волны. Непроизводительные потери энергии сводят при этом к минимуму. При приближении второй микрополосковой линии передачи к первой возникает процесс направленной передачи энергии и коэффициент стоячей волны в первой линии падает. При его падении ниже определенного уровня генератор высокочастотных колебаний переводят в режим генерации максимальной мощности и осуществляют эффективную беспроводную передачу энергии с минимальными потерями мощности. 4 ил.

Способ беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты, характеризующийся тем, что первоначально генерируют высокочастотные колебания настолько малым уровнем мощности, насколько такой уровень позволяет измерить коэффициент стоячей волны в линии передачи, при этом подают эти колебания через измеритель коэффициента стоячей волны на первый конец первой микрополосковой линии передачи определенной длины, второй конец которой замыкают на землю или оставляют свободным, причем первую микрополосковую линию передачи для экономии места сворачивают в спираль, при этом к первой микрополосковой линии передачи подносят вторую микрополосковую линию передачи такой же длины, второй конец которой также замыкают на землю или оставляют свободным, причем вторую микрополосковую линию передачи также для экономии места сворачивают в спираль, причем сворачивание в спираль второй микрополосковой линии передачи осуществляют зеркально по отношению к сворачиванию в спираль первой микрополосковой линии передачи, при этом вторую микрополосковую линию передачи подносят к первой микрополосковой линии передачи лицом, при этом между двумя отдельными микрополосковыми линиями передачи организуют лицевую связь и тем самым две отдельные микрополосковые линии передачи преобразуют в один направленный ответвитель с лицевой связью на симметричных полосковых линиях передачи, при этом измеряют коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой линии передачи и оценивают его значение, при этом задаются некоторым пороговым значением коэффициента стоячей волны, при этом, если значение измеренного коэффициента стоячей волны оказывается выше этого заданного порогового значения, то уровень мощности первоначально генерируемых высокочастотных колебаний оставляют на том же настолько малом уровне, насколько такой уровень позволяет измерить коэффициент стоячей волны в первой микрополосковой линии передачи, при этом минимизируют непроизводительные потери энергии, вместе с тем, если значение измеренного коэффициента стоячей волны по мере приближения второй микрополосковой линии передачи к первой микрополосковой линии передачи падает ниже заданного порогового значения, то по этому факту уровень мощности генерируемых высокочастотных колебаний делают максимальным и организуют тем самым эффективную беспроводную передачу энергии от генератора высокочастотных колебаний к нагрузке через две микрополосковые линии передачи с лицевой связью, при этом с первого конца второй микрополосковой линии передачи снимают высокочастотные колебания, энергию которых используют далее по назначению, при этом вредное влияние энергии высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии, сводят к нулю, поскольку направленный ответвитель, образованный по факту симметричными полосковыми линиями передачи с лицевой связью не производит излучения энергии в свободное пространство.