Двунаправленная система беспроводной передачи энергии Российский патент 2023 года по МПК H02J50/12 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в качестве устройства для бесконтактной передачи энергии при эксплуатации в составе автономных и неавтономных устройств, для двунаправленной беспроводной передачи энергии между частями системы, в качестве устройства для беспроводной зарядки аккумуляторов мобильных систем. Конфигурация двунаправленной системы беспроводной передачи энергии позволяет использовать ее для перераспределения энергетических ресурсов между автономными устройствами с источниками питания, имеющими равное и различное напряжение.

Известна система бесконтактной передачи электроэнергии (патент на полезную модель RU 128413), для использования в бытовых устройствах бесконтактной передачи электроэнергии от источников к потребителям, содержащая передающий блок, состоящий из микроконтроллера передающего устройства, соединенного с модулем управления частотой генератора, выход которого соединен с генератором, выход генератора через инвертор соединен с излучающей катушкой, излучающая катушка соединена с амплитудным детектором, выход которого непосредственно соединен со входом микроконтроллера передающего устройства; и принимающего устройства, состоящего из приемной катушки, соединенной с преобразователем напряжения, выход которого соединен с модулем управления процессом зарядки, выходы модуля управления процессом зарядки соединены со входом аккумулятора и входом микроконтроллера приемного устройства, между модулем управления процессом зарядки и микроконтроллером приемного устройства установлено двунаправленное соединение; микроконтроллер приемного устройства соединен с приемной катушкой через модулятор и имеет возможность изменять собственную резонансную частоту приемного контура.

Известна полезная модель беспроводной системы передачи энергии (патент на изобретение RU 2596604) на основе микроволнового излучения. Передатчик энергии содержит контроллер и фазированную антенную решетку, имеющую множество микроволновых приемопередатчиков решетки для передачи сигнала передачи энергии микроволнового излучения, причем каждый из множества микроволновых приемопередатчиков выполнен с возможностью передавать свои соответствующие сигналы передачи энергии с соответствующей выбранной фазой, принимать калибровочный сигнал от устройства, которое должно заряжаться, и детектировать детектированную фазу, с которой калибровочный сигнал принимается соответствующим приемопередатчиком; и при этом контроллер выполнен с возможностью настраивать выбранную фазу для использования при передаче сигнала передачи энергии на определенную фазу для одного или более из множества приемопередатчиков, определять определенную фазу на основе соответствующей детектированной фазы для одного или более из множества приемопередатчиков, при этом определенная фаза указывает оптимальную фазу для сигнала передачи энергии, который должен передаваться на устройство, которое должно заряжаться; и при этом сигнал передачи энергии передается без использования сигнала определения местоположения, если таковой имеет место, от устройства, которое должно заряжаться, который указывает местоположение устройства, которое должно заряжаться.

Известна полезная модель беспроводной зарядной системы с обратной связью (патент на изобретение RU 2306653), обеспечивающая адаптивный режим и бесперебойную работу устройства - потребителя, а также увеличение срока работы накопителей энергии. Для этого заявленная система содержит на питающей стороне высокочастотный генератор, вход которого соединен с управляющим выходом контроллера, а выход - с первым входом модулятора, выход которого соединен с антенной и входом декодера, выход которого через усилитель соединен со входом контроллера, информационный выход которого соединен со вторым входом модулятора, а на стороне зарядного блока антенну, соединенную с выходом модулятора и входами декодера и инвертора, выходы которых соединены соответственно с информационным и энергетическим входами контроллера заряда-разряда, который соединен с блоком аккумуляторов и/или блоком ионисторов, при этом информационный и управляющий выходы контроллера заряда-разряда соединены соответственно с первым входом модулятора и входом генератора, выход которого соединен со вторым входом модулятора, а инвертор содержит последовательно соединенные выпрямитель и умножитель напряжения.

Известны передатчик энергии и приемник энергии для индуктивной системы передачи энергии (патент на изобретение RU 2588579). Беспроводная индуктивная система передачи энергии содержит передатчик энергии для индуктивной передачи энергии к приемнику энергии через передающую катушку к приемной катушке. В системе способ связи содержит этап, на котором передают посредством приемника энергии первые данные и вторые данные передатчику энергии, причем первые данные указывают требование к модуляции, а вторые данные указывают сообщение запроса; этап, на котором принимают посредством передатчика энергии первые данные и вторые данные от приемника энергии; этап, на котором передают посредством передатчика энергии ответное сообщение для ответа на упомянутое сообщение запроса, модулируя энергетический сигнал в соответствии с требованием к модуляции, чтобы передать ответное сообщение; и этап, на котором приемник энергии принимает ответное сообщение, демодулируя модулированный сигнал, несущий от передатчика энергии ответное сообщение, принимаемое приемной катушкой.

Известно устройство (патент на изобретение RU 2658331) для беспроводной передачи энергии, передатчик которого выполнен с возможностью передавать энергию в приемник энергии с использованием беспроводного индуктивного сигнала энергии. Передатчик энергии содержит генератор сигнала энергии, который возбуждает индуктор, чтобы обеспечивать сигнал энергии в индуктор приемника энергии. Управление обратной связи по мощности используется приемником энергии, обеспечивающим сообщения ошибки управления мощностью в передатчик энергии. Передатчик энергии содержит процессор сообщений запроса, который может обнаруживать сообщение запроса, принятое от приемника энергии с использованием модуляции нагрузкой сигнала энергии. Процессор модификации выполнен с возможностью модифицировать ответ контроллера обратной связи по мощности на сообщения ошибки управления мощностью в зависимости от сообщения запроса. Приемник энергии может обнаруживать модификации работы управления мощностью и, таким образом, может интерпретировать это как ответ на сообщение запроса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для беспроводной двунаправленной передачи энергии (патент на изобретение US 8947041 В2). Беспроводной приемопередатчик энергии содержит параллельный резонансный контур, гармонический фильтр и схему согласования, двунаправленную схему преобразования мощности, систему генерации и контроля. Система работает на основе индуктивно связанных резонансных контуров с использованием частот ниже 30 МГц. Энергия источника питания подается на приемопередатчик, сконфигурированный для передачи энергии, далее через индуктивно связанные контуры магнитное поле, созданное генератором, индуцирует ЭДС в резонансном контуре приемопередатчика, сконфигурированного на прием энергии. Далее индуцированная ЭДС выпрямляется синхронным выпрямителем и может быть использована потребителем энергии. Передатчик и приемник должны находиться в непосредственной близости друг от друга для того, чтобы потери при передаче были минимальны. Тем не менее, передача энергии при увеличении расстояния между частями системы осуществляется, но с более низкой эффективностью. Размеры передающей и приемной антенн подбираются в соответствии с приложениями и устройствами, в которых применяется система.

Недостатком указанных аналогов и прототипов является возможность только односторонней передачи энергии от передающей части системы к приемной, а также низкий уровень эффективности передачи энергии. Известные аналоги с возможностью двунаправленной передачи энергии требуют отдельную систему управления для поддержания работы в режиме резонанса при различном взаимном расположении и расстоянии между приемной и передающей частью. Также система управления в данных решениях необходима для управления силовыми транзисторами и переключения между режимом передачи и приема энергии. Специализированная система управления увеличивает сложность и стоимость беспроводной системы передачи энергии, а также не гарантирует максимальной эффективности, так как возможны погрешности в задании рабочей частоты для резонансного контура.

Техническая задача, на решение которой направленно заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности и упрощении схемотехнического решения двунаправленной беспроводной системы передачи электрической энергии, основанной на принципе индуктивной связи между катушками резонансного контура, передача энергии между приемной и передающей частями которой осуществляется бесконтактно, при наличии воздушного зазора.

Решение технической задачи достигается предлагаемой двунаправленной системой беспроводной передачи электрической энергии, основанной на индуктивно связанных параллельных резонансных контурах, состоящей из двух функциональных частей, каждая из которых может осуществлять прием и передачу энергии и имеет идентичную принципиальную схему, содержащей резонансный автогенератор, выход которого соединен с резонансным контуром, повышающий DC-DC преобразователь, вход которого соединен с входом резонансного автогенератора, а выход соединен с источником/потребителем энергии конечного устройства, отличающейся тем, что введены цепь выбора режима работы и цепь контроля частоты, при этом система управления конечного устройства для перехода в режим передачи энергии подает сигнал в цепь выбора режима работы, которая управляет ключевым элементом, замыкающим цепь между источником/потребителем энергии конечного устройства и входом резонансного автогенератора и запрещает работу DC-DC преобразователя, кроме того, резонансный автогенератор выполнен с возможностью работы как синхронный выпрямитель в режиме приема энергии.

Для повышения эффективности и снижения потерь, передающий контур предлагаемой двунаправленной системы передачи энергии является частотозадающим для резонансного автогенератора, что позволяет поддерживать резонанс в нем при изменении индуктивности катушки без использования дополнительных систем подстройки частоты.

Для повышения эффективности, упрощения схемотехнического решения и отказа от дополнительных систем подстройки частоты контура, функционирующего в режиме приема энергии, резонансные контуры функциональных частей системы выполнены идентичными.

Для упрощения схемотехнического решения и снижения трудоемкости внедрения системы в конечное устройство в предлагаемой двунаправленной беспроводной системе передачи энергии предусмотрены цепи управления переключением между режимами приема и передачи энергии.

Функционирование заявляемого изобретения поясняется фигурами, на которых показаны: фиг. 1 - структурная схема двунаправленной беспроводной системы передачи энергии, где 1 - функциональная часть двунаправленной беспроводной системы передачи энергии, 2 - резонансный автогенератор, 3 -передающий/приемный резонансный LC-контур, 4 - повышающий DC-DC преобразователь, 5 - цепи управления режимом работы, 6 - источник/потребитель энергии конечного устройства, М - индуктивная связь между катушками индуктивности; фиг. 2 - принципиальная схема двунаправленной беспроводной системы передачи энергии и подключений к конечному устройству, где 1 - функциональная часть двунаправленной беспроводной системы передачи энергии, 3 - передающий/приемный резонансный LC-контур, 4 - повышающий DC-DC преобразователь, 7 - ключевой элемент цепей управления режимом работы, 8 - конечное устройство в которое установлена двунаправленная беспроводная система передачи энергии, 6 - источник/потребитель энергии конечного устройства, 9 - собственная система управления конечного устройства, 10 - цепь выбора режима работы, 11 - цепь контроля частоты.

Двунаправленная беспроводная система передачи энергии состоит из двух функциональных частей (1), имеющих идентичную принципиальную схему. Каждая функциональная часть системы имеет электрическое подключение к источнику питания или потребителю энергии в конечном устройстве (6), в которое она установлена. Беспроводная передача энергии осуществляется между двумя конечными устройствами, в которые установлена функциональная часть предлагаемой двунаправленной беспроводной системы передачи энергии. Каждая функциональная часть предлагаемого решения состоит из следующих структурных блоков: резонансный LC-контур (3), соединенный с выходом резонансного автогенератора (2), повышающий DC-DC преобразователь (4), цепи управления режимом работы (5), позволяющие управлять работой DC-DC преобразователя и электрически соединять источник энергии конечного устройства со входом резонансного автогенератора. Основной частью системы является резонансный автогенератор. Передача энергии осуществляется методом электромагнитной индукции через индуктивно связанные (М) параллельные резонансные LC-контуры.

Принцип работы системы в режиме передачи энергии следующий. Конечное устройство (8), в которое установлена функциональная часть двунаправленной беспроводной системы передачи энергии (7), имеет собственную систему управления (9). Собственная система управления конечного устройства имеет возможность чтения сигнала с цепи контроля частоты (11), и подачи управляющего сигнала в цепь выбора режима работы (10) двунаправленной беспроводной системой передачи энергии. Цепь выбора режима работы управляет ключевым элементом (7) и повышающим DC-DC преобразователем (4). Система управления конечным устройством проверяет наличие сигнала прямоугольной формы в цепи контроля частоты, если он отсутствует, то системе разрешено подать сигнал в цепь выбора режима работы. При подаче управляющего сигнала в цепь выбора режима работы запрещается работа DC-DC преобразователя, а ключевой элемент замыкает цепь, позволяя протекать току от источника питания (6) конечного устройства ко входу резонансного генератора, тем самым запуская его работу, после чего в резонансном контуре (3) генерируются незатухающие колебания, а в области катушки L1 (фиг.2) появляется переменное магнитное поле с частотой в соответствии с (1):

где - резонансная частота идеального контура, R₃ - эквивалентное сопротивление нагрузки, приложенной к резонансному контуру, L и С - индуктивность и емкость резонансного контура соответственно.

Принцип работы системы в режиме приема энергии следующий. Если одна из функциональных частей системы работает в режиме передачи энергии, а вторая попадает в область действия переменного магнитного поля, создаваемого ею, то в катушке L1 индуцируется ЭДС. В резонансном контуре (3) возникают незатухающие колебания с частотой, равной частоте колебаний, генерируемых в резонансном контуре функциональной части системы, работающей в режиме передачи энергии. Далее ЭДС, индуцированная в L1, выпрямляется резонансным автогенератором, работающим в данном режиме как синхронный выпрямитель, и поступает на вход повышающего DC-DC преобразователя. Выход DC-DC преобразователя соединен в данном случае с потребителем энергии конечного устройства.

Так как взаимное расположение функциональных частей устройства в одинаковой мере влияет на индуктивность и добротность принимающего и передающего резонансных контуров, а передающий контур является частотозадающим, то оба контура системы находятся в резонансе. Это позволяет повысить эффективность передачи энергии при любом взаимном расположении приемной и передающей частей устройства.

Вышеописанные принципы работы двунаправленной беспроводной системы передачи энергии позволяют осуществлять энергетический обмен между конечными устройствами с источниками питания с равным и отличающимся рабочим напряжением.

Технический результат, достигаемый заявленной совокупностью признаков, состоит в повышении эффективности работы двунаправленной беспроводной системы передачи электрической энергии при любом взаимном расположении приемной и передающей частей системы. Данный факт подтверждается результатами экспериментальных испытаний прототипа системы с номинальной мощностью нагрузки 130 Вт. Зависимости эффективности передачи энергии от мощности нагрузки и расстояния передачи энергии для прототипа представлены на фиг. 3. Результаты сравнения характеристик заявленного решения с другими системами представлены в таблице 1.

Проведенный сравнительный анализ характеристик заявленного решения с характеристиками стандартизированных систем беспроводной передачи энергии и исследовательских прототипов демонстрирует более высокий уровень эффективности передачи энергии заявленного решения.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в качестве устройства для бесконтактной передачи энергии при эксплуатации в составе автономных и неавтономных устройств, для двунаправленной беспроводной передачи энергии между частями системы, в качестве устройства для беспроводной зарядки аккумуляторов мобильных систем. Конфигурация двунаправленной системы беспроводной передачи энергии позволяет использовать ее для перераспределения энергетических ресурсов между автономными устройствами с источниками питания, имеющими равное и различное напряжение. Техническая задача, на решение которой направленно заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности и упрощении схемотехнического решения двунаправленной беспроводной системы передачи электрической энергии, основанной на принципе индуктивной связи между катушками резонансного контура, передача энергии между приемной и передающей частями которой осуществляется бесконтактно, при наличии воздушного зазора. Данная техническая задача решается применением предложенной структуры системы и схемотехнического решения. Двунаправленная беспроводная система передачи энергии состоит из двух функциональных частей, имеющих идентичную принципиальную схему. Каждая функциональная часть системы имеет электрическое подключение к источнику питания или потребителю энергии в конечном устройстве, в которое она установлена. Беспроводная передача энергии осуществляется между двумя конечными устройствами, в которые установлена функциональная часть предлагаемой двунаправленной беспроводной системы передачи энергии. Каждая функциональная часть предлагаемого решения состоит из следующих структурных блоков: резонансный LC-контур, соединенный с выходом резонансного автогенератора, повышающий DC-DC преобразователь, вход которого соединен со входом резонансного автогенератора, а выход с потребителем энергии конечного устройства, цепи управления режимом работы, позволяющие управлять работой DC-DC преобразователя и электрически соединять источник энергии конечного устройства со входом резонансного автогенератора. Основной частью системы является резонансный автогенератор. Передача энергии осуществляется методом электромагнитной индукции через индуктивно связанные параллельные резонансные LC-контуры. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Двунаправленная система беспроводной передачи электрической энергии, основанная на индуктивно связанных параллельных резонансных контурах, состоящая из двух функциональных частей, каждая из которых может осуществлять прием и передачу энергии и имеет идентичную принципиальную схему, содержащую резонансный автогенератор, выход которого соединен с резонансным контуром, повышающий DC-DC преобразователь, вход которого соединен с входом резонансного автогенератора, а выход соединен с источником/потребителем энергии конечного устройства, отличающаяся тем, что введены цепь выбора режима работы и цепь контроля частоты, при этом система управления конечного устройства для перехода в режим передачи энергии подает сигнал в цепь выбора режима работы, которая управляет ключевым элементом, замыкающим цепь между источником/потребителем энергии конечного устройства и входом резонансного автогенератора, и запрещает работу DC-DC преобразователя, кроме того, резонансный автогенератор выполнен с возможностью работы как синхронный выпрямитель в режиме приема энергии.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что частотозадающим контуром резонансного автогенератора является передающий резонансный контур.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что резонансные контуры для приема и передачи энергии являются идентичными.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что система управления содержит интегрированные электрические цепи управления переключением между режимами приема и передачи энергии.