Устройство подзарядки аккумуляторных элементов беспроводной сенсорной сети Российский патент 2024 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью обеспечения бесперебойного питания элементов беспроводной сенсорной сети (БСС).

Обеспечение надежного круглосуточного электропитания имеет важное значение для эффективной работы элементов БСС. В зависимости от назначения, специфики построения и условий работы БСС [3], их узловые элементы могут питаться как от автономных источников электроэнергии, нуждающихся в периодической подзарядке или замене (аккумуляторные, химические батареи) [1, 2], так и от альтернативных источников (солнечные батареи, ветровые генераторы и др.) [1, 2]. Из уровня техники известен также ряд способов комбинированного применения разных источников, которые сочетают их достоинства.

В широко распространенных сенсорных узлах Mica, Telos, Iris и др. [4] основным источником электропитания является аккумуляторная батарея, нуждающаяся в периодической подзарядке. В системе энергоменеджмента элементов БСС Prometeus [4] для подзарядки аккумуляторов и резервирования электропитания используется солнечная батарея, постоянно подключенная к узлу БСС. Перспективной технологией подзарядки аккумуляторов является беспроводная передача электроэнергии [5] с использованием автоматизированных транспортных носителей (автомобилей, подвижных роботов, беспилотных летательных аппаратов – БПЛА) [7]. Передача электроэнергии при этом осуществляется посредством доставки зарядного устройства транспортным носителем к узлу БСС на расстояние, при котором достигается его необходимое по эффективности воздействие электромагнитным путем на аккумуляторные батареи. В системе Prometeus [4] для подзарядки аккумуляторной батареи используется солнечная батарея. Система обеспечивает удовлетворительное по энергетическим показателям, однако недостаточно надежное электропитание элемента БСС ввиду невозможности подзаряжать аккумуляторную батарею в сумеречное и темное время суток, а также на слабоосвещенных участках сенсорного поля [4]. Замена солнечной батареи другим альтернативным источником электроэнергии: ветровым генератором, вибропреобразователем механических колебаний, радиоактивным элементом и т.д. – не позволяет решить проблему ввиду ограничений, обусловленных стоимостью, массогабаритными показателями и безопасностью для окружающей среды узловых элементов БСС.

Наиболее близким по технической сущности является устройство подзарядки аккумуляторных батарей [8]. Это решение состоит в том, чтобы использовать в составе узла БСС управляемый блок, позволяющий производить беспроводную подзарядку аккумуляторной батареи от зарядного устройства, доставляемого БПЛА к узлу БСС.

Сущность прототипа состоит в том, что в качестве транспортного средства доставки используется управляемый беспилотный летательный аппарат, на котором размещается устройство, осуществляющее электромагнитное воздействие на элементы, с целью подзарядки аккумуляторных батарей, используемых для их электропитания.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.

В критической ситуации, когда разрядка аккумулятора какого-либо сенсорного элемента (СЭ) превышает допустимые значения, на базу расположения БПЛА, по сети, от данного СЭ поступает сигнал запроса. БПЛА, содержащий средства, необходимые для подзарядки, прибывает к месту расположения СЭ и включает генератор переменного тока. В устройстве обеспечивается трансформаторный режим передачи электроэнергии от БПЛА к СЭ. На неподвижно установленном сенсорном элементе размещается конусообразная крышка (из изоляционного материала). Внутри нижней части крышки размещается жестко связанная с крышкой кольцевая вторичная обмотка трансформатора. В рабочем состоянии на крышку надевается сверху первичная обмотка трансформатора, которая с помощью гибкого электрического проводника (одновременно выполняющего роль троса, наматываемого на вращающийся блок, установленный на БПЛА) перемещается вместе с БПЛА. На БПЛА устанавливается видеокамера, в поле зрения которой находятся крышка и обмотка. Перемещением обмотки опускают ее до полного вхождения в нее конической крышки. Для более качественной относительной фиксации обмоток в нижних частях обмотки и крышки размещаются постоянные магнитные элементы.

Взаимное перемещение крышек отслеживается и управляется при помощи видеокамеры. Первичная обмотка трансформатора питается электрическим током генератора высокочастотных колебаний, установленного на БПЛА. Вторичная обмотка трансформатора подключается к детектору, расположенному на сенсорном элементе и соединенному с заряжаемым аккумулятором.

Индукционная связь является весьма высокоэффективной, однако, она требует размещения на каждом сенсорном элементе вторичной обмотки трансформатора, что существенно повышает стоимость сенсорных элементов и делает их мало технологичными.

С целью устранения указанных недостатков предлагается исключить трансформаторные обмотки и заменить индукционную связь на емкостную, используя непосредственно металлизированные поверхности конусообразных оболочек в качестве обкладок электрического конденсатора, через который передается энергия для подзарядки аккумуляторов.

Предлагаемое решение проблемы состоит в применении двух (например, конусообразных) оболочек из диэлектрического материала, с нанесенными на них металлизированными покрытиями, образующими обкладки электрического конденсатора, через которые электрическая энергия поступает на подзарядку аккумулятора сенсорного элемента БСС.

Сущность предлагаемого решения состоит в том, что конусообразные оболочки обеспечивают сближение и взаимную фиксацию обкладок конденсатора, повышая тем самым его коэффициент полезного действия.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и обеспечение надежного электропитания узла БСС.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом (Фиг. 1).

На БПЛА-1 имеется генератор переменного тока-2, который по кабелю-5, исполняющему одновременно роль троса, наматываемого на лебедку-4, передает электрическое напряжение на металлизированное покрытие-7 внутренней поверхности оболочки-6 – крышки (например, конической), выполненной из диэлектрического материала. Указанная оболочка может перемещаться совместно с БПЛА, а также перемещаться вертикально, относительно БПЛА – с помощью лебедки. Сенсорный элемент-10 снабжен аналогичной оболочкой-8 с металлизированной внутренней поверхностью-9, которая соединена со входом детектора-12, на выходе которого протекает постоянный ток зарядки аккумулятора-11 сенсорного элемента-10. На БПЛА-1 установлена видео камера-3, обеспечивающая возможность взаимного совмещения оболочек -6 и -8 при подлете БПЛА-1 к сенсорному элементу-10. После совмещения оболочек -6 и -8 БПЛА осуществляет посадку, обеспечивая заземление генератора-2. Металлизированные поверхности -7 и -9 образуют электроды конденсатора, по которым передается переменный ток. Куполообразная форма (например, коническая) оболочек -6 и -8 обеспечивает сближение поверхностей -7 и -9, увеличивая тем самым значение емкостной проводимости перехода. После завершения процесса подзарядки аккумулятора, оболочка-6 подтягивается к БПЛА, и он перелетает к следующему сенсорному элементу. Между БПЛА и элементами сенсорной сети установлена непосредственная радиосвязь, по которой сенсорные элементы сообщают степень зарядки аккумуляторов, и выбирается маршрут передвижения БПЛА.

Электрическая емкость между двумя поверхностями площади , расположенными на расстоянии друг от друга в воздухе, приближенно может быть оценена соотношением:

[Ф], где [м²] – площадь поверхности в квадратных метрах, – расстояние в метрах. Если поверхности имеют коническую форму, с радиусом основания, равным r и образующей конуса , то площадь боковой поверхности конуса . Для размеров конусов [м], и расстоянии между поверхностями [м], получим значение емкости [Ф], что при частоте питания [МГц] соответствует сопротивлению [Ом], и при напряжении питания [В] обеспечит ток подзарядки, приблизительно, равный 21 [мА], что вполне достаточно для подзарядки аккумулятора сенсорного элемента.

ЛИТЕРАТУРА

1. B. Scrosati, R.J. Neat. Lithium polymer batteries, in: Applications of Electroactive Polymers, Springer, 1993, pp. 182-222.

2. Nickel metal hydride battery [Электронный ресурс] / URL: http://www.batteryspace.com/nimhpacks24-48v.aspx.

3. B. Tong, G. Wang, W. Zhang, C. Wang, Node reclamation and replacement for long-lived sensor networks, in: Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2009. SECON’09. 6th Annual IEEE Communications Society Conference on, IEEE, 2009, pp. 1-9.

4. Memsic wireless modules [Электронный ресурс] / URL: http://www.memsic.com/products/wireless-sensor-networks/wireless-modules.html.

5. R. Doost, K. Chowdhury, M. Di Felice, Routing and link layer protocol design for sensor networks with wireless energy transfer, in: GLOBECOM 2010, 2010 IEEE Global Telecommunications Conference, IEEE, 2010, pp. 1-5.

6. Лихтциндер Б.Я., Маслов О.Н. Патент RU 2793177 C1 «Устройство электропитания узлового элемента беспроводной сенсорной сети».

7. Powercast corporation, p2000 series 902 928 mhz powerharvester development kit [Электронный ресурс] / URL: http://www.powercastco.com/products/development-kits/.

8. Лихтциндер Б.Я. Заявка № 2023118285/28(039262) на изобретение «Устройство подзарядки аккумуляторов узловых элементов беспроводной сенсорной сети».

Изобретение относится к области электропитания радиоэлектронного оборудования и может быть использовано с целью обеспечения бесперебойного питания элементов беспроводной сенсорной сети (БСС). Устройство подзарядки аккумуляторных элементов беспроводной сенсорной сети, доставляемое с помощью беспилотного летательного аппарата, содержащее генератор и детектор переменного тока, выполненные с возможностью электрического взаимодействия, а также две взаимно перемещаемые конусообразные крышки из диэлектрического материала. При этом поверхности крышек выполняются электропроводящими и образуют электрический конденсатор, причем первая крышка неподвижно закреплена на сенсорном элементе и ее электропроводящая поверхность соединена с входом детектора переменного тока, а внутренняя электропроводящая поверхность второй крышки соединена посредством кабеля-троса, наматываемого на лебедку, с генератором переменного тока, установленным на беспилотном летательном аппарате, а для обеспечения возможности взаимного совмещения крышек на беспилотном летательном аппарате установлена видеокамера. Технический результат – упрощение конструкции и обеспечение надежного электропитания узла БСС. 1 ил.

Устройство подзарядки аккумуляторных элементов беспроводной сенсорной сети, доставляемое с помощью беспилотного летательного аппарата, содержащее генератор и детектор переменного тока, выполненные с возможностью электрического взаимодействия, а также две взаимно перемещаемые конусообразные крышки из диэлектрического материала, отличающееся тем, что поверхности крышек выполняются электропроводящими и образуют электрический конденсатор, причем первая крышка неподвижно закреплена на сенсорном элементе и ее электропроводящая поверхность соединена с входом детектора переменного тока, а внутренняя электропроводящая поверхность второй крышки соединена посредством кабеля-троса, наматываемого на лебедку, с генератором переменного тока, установленным на беспилотном летательном аппарате, а для обеспечения возможности взаимного совмещения крышек на беспилотном летательном аппарате установлена видеокамера.