Беспроводная зарядка - достоинства и недостатки

В один прекрасный день беспроводная зарядка может круто изменить нашу повседневную жизнь, как это однажды сделали Wi-Fi и Bluetooth в контексте передачи данных. Концепция этой многообещающей технологии основана на индуктивной связи с использованием электромагнитного поля, что позволяет организовать передачу энергии от передатчика к приемнику.

Идея беспроводной передачи энергии не нова. Еще в 1841 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В конце 1800-х – начале 1900-х Никола Тесла демонстрировал возможность беспроводного вещания и передачи электроэнергии. Результаты исследований и экспериментов, полученные в лаборатории Колорадо-Спрингс, позволили начать строительство Башни Ворденклифф в Нью-Йорке. Созданием этого инженерного строения Тесла хотел доказать, что электричество может передаваться без проводов, но отсутствие финансирования помешало полностью реализовать этот проект.


Зарядные устройства Blue Power (Голландия)

 

Blue Power IP20 Blue Power IP65 Blue Power IP67
Зарядное устройство для гелевых аккумуляторов Бестрансформаторное зарядное устройство водонепроницаемое зарядное устройство
12/24В, 15-40А 12/24В, 5-40А 12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

Так было до 1920-х годов - когда началось распространение радиовещания. В Европе были построены большие передатчики, которые охватывали целые страны. Станция Беромюнстер в Швейцарии имела номинальную мощность 600 кВт, но из-за ограничений законодательства и протестов местных жителей (обеспокоенных якобы вредным влиянием электромагнитных волн) работала всего лишь на 180 кВт. Со временем такие большие передатчики сменялись меньшими, но с более лучшими характеристиками; сегодня наш мир невозможно представить без FM-радио, мобильной связи и сетей Wi-Fi.

Беспроводная зарядка и радиопередача используют одно и то же явление - электромагнитную индукция. Разница состоит в том, что в случае зарядки эксплуатируется ближняя зона распространения электромагнитного поля, создаваемого первичной катушкой (источник или передатчик). Именно в эту зону должна быть помещена вторичная катушка (приёмник), которая и генерирует электрический ток. В случае же радиосвязи используется дальняя зона, которая способна посылать волны в пространство. Стоит еще отметить, что вторичной катушке необходим захват большей часть энергии ближней зоны, тогда как радиоприемнику требуется лишь несколько микровольт, чтобы восстановить и усилить сигнал.

Типы беспроводных зарядных устройств

Беспроводные зарядные устройства классифицируются на индуктивные, радио- и магнитно-резонансные. Самой распространенной технологией на сегодня является индуктивная. Первым потребительским ее применением было использование для зарядки электрических зубных щеток.

Радио зарядные устройства используются для маломощных устройств, которые должны находиться в радиусе 10 метров от передатчика. Этот принцип обычно используется для зарядки аккумуляторов в медицинских имплантантах, слуховых аппаратах, часах и чипах радиочастотной идентификации. Передатчик посылает маломощные радиоволны, а приемник преобразовывает их в электричество. Радио зарядка по сути является нестандартным использованием радиосвязи. Эта технология обладает довольно высокой гибкостью использования, но способна генерировать только малые мощности и под вопросом остается влияние на человека порождаемого ею электромагнитного излучения. На сегодня радио зарядка имеет весьма ограниченное использование.

Большие аккумуляторы, например, для электротранспорта, могут использовать магнитно-резонансную технологию зарядки. Осциллирующее магнитное поле имеет радиус около одного метра. Для того, чтобы оставаться в силовом поле, расстояние между передающей и принимающей катушкой должно быть в пределах четверти длины волны (к примеру, частоте 915 МГц соответствует длина волны 0,328 метра).


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Магнитно-резонансная зарядка не ограничивается высокими показателями необходимой мощности - ее использование возможно на всех уровнях мощности. Но в то время как 3 кВт система для зарядки электромобилей имеет КПД на уровне 93-95 процентов (с 20-сантиметровым расстоянием между передатчиком и приемником), система мощностью 100 Вт имеет КПД уже чуть более 90 процентов, а мощностью 5 Вт - 75-80 процентов. Технология магнитно-резонансной зарядки все еще находится в стадии совершенствования и имеет ограниченное распространение.

В связи с необходимостью общей стандартизации беспроводной зарядки еще в 2008 году Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) был разработан стандарт Qi. Это позволило производителям создавать гаджеты и зарядные устройства единого стандарта беспроводной зарядки - Qi, обладающей мощностью 5 Вт.

Компания Powermat, бывший участник сообщества производителей Qi, покинувшая его из-за разногласий в 2012 году, начала разработку нового конкурирующего стандарта - PMA. PMA довольно похож на Qi, но работает на другой частоте. Другая компания, A4WP, в 2012 году объявила о создании нового типа магнитно-резонансной зарядки, которая может обеспечить свободное перемещение и одновременную зарядку нескольких устройств. Данные разработки пока еще не утверждены в качестве общепринятых стандартов. В таблице 1 приведено описание трех вышеуказанных технологий беспроводной зарядки.

  WPC или Qi (Wireless Power Consortium) PMA (Power Matters Alliance) A4FP (Alliance For Wireless Power)
Дата основания 2008, Qi – это первый утвержденный стандарт беспроводной зарядки 2012, разработан компаниями Proctеr & Gamble и Powermat 2012, разработан компаниями Samsung и Qualcomm
Технология Индуктивная зарядка, 100-205 кГц, расстояние между катушками 5 мм Индуктивная зарядка, 277-357 кГц, довольно похожа на Qi Магнитно-резонансная зарядка, слабосвязанная, существует проблема излучения
Распространенность Наиболее распространенный стандарт, существует более чем 500 устройств с поддержкой Qi, из них более 60 – это смартфоны Главный конкурент Qi, с тенденцией роста популярности, этому поспособствовала договоренность с сетью кофеен Starbucks об установке в кофейнях компании зарядных устройств для клиентов A4FP и PMA были слиты в один консорциум, оригинальный продукт от A4FP в данный момент недоступен
Компании, использующие стандарт Samsung, LG, HTC, TI, Panasonic, Sony, Nokia, Motorola, Philips, Verizon, BMW, Audi, Daimler, VW Porsche, Toyota, Jeep Powermat, Samsung, LG, TDK, TI, AT&T, Duracell, WiTricity, Starbucks Teavana, Huawei, FCC, Energy Star, Flextronics Qualcomm, TediaTek, Intel, LG, HTC, Samsung, Deutsche Telecom. Стандарт не используется в коммерческих продуктах

Таблица 1: Используемые стандарты беспроводной зарядки. В то время как Qi и PMA активно используются, A4FP в данный момент не присутствует в коммерческих продуктах из-за проблем с излучением.

В то время как стандарт A4FP мы навряд ли еще скоро увидим в широком использовании, уже сейчас противостояние между Qi и PMA набирает довольно серьезные обороты. Некоторые производители даже выпускают гаджеты и зарядные устройства к ним, поддерживающие оба этих стандарта. Это противостояние напоминает конкуренцию звукозаписывающих кампаний Columbia Records и RCA Victor, которые выпускали пластинки с разным количеством оборотов для воспроизведения, что в конечном итоге привело к созданию двухскоростных граммофонов.

Современная беспроводная зарядка имеет довольно сложную систему идентификации устройства, которая основана на фиксации изменения емкости или резонанса. Поместив наш девайс на специальную поверхность зарядного устройства, передается сигнал синхронизации, который позволяет идентифицировать и, следовательно, применить необходимые зарядные параметры.

Зарядная поверхность передает энергию лишь в случае обнаружения совместимого заряжаемого устройства (приемника), что обеспечивается предварительной синхронизацией. Во время зарядки приемник посылает управляющие сигналы или сигналы об ошибках, которые регулируют уровень мощности. При достижении полного заряда или перемещении приемника, зарядная поверхность переключается в режим ожидания.

Передающая и приемная катушки экранируются для обеспечения лучшего контакта и уменьшения паразитного излучения. Некоторые зарядные поверхности имеют передающую катушку свободного перемещения, которая “ищет” заряжаемое устройство, а некоторые имеют несколько неподвижных катушек, из которых активируется та, которая находится в непосредственной близости с приемной катушкой.

Разработчики Qi называют передатчик “TX контролером” или базовой станцией, а приемник на портативном устройстве - “RX контролером” или приемником питания. Такая система имеет сходство с первичной и вторичной катушками трансформатора. На рисунке 2 показана схема беспроводной зарядки стандарта Qi.

Беспроводная зарядка

Рисунок 2: Схема беспроводной зарядки Qi. Всего существует три конкурирующих стандарта беспроводной зарядки - Qi, PMA и A4WP. Данные стандарты являются несовместимыми между собой.

Логотип стандарта Qi, что в переводе с китайского - “естественная энергия”.

Плюсы и минусы беспроводной зарядки

Беспроводная зарядка обладает уникальными преимуществами и обеспечивает максимальное удобство для потребителей. Стоит отметить и ее безопасность, так как отсутствуют электрические искры, способные вызвать проблемы при зарядке в опасной среде. Кроме того, нет зависимости от качества электрических контактов; смазка, пыль и коррозия на контактах остаются проблемами классических методов зарядки. Отсутствие электрических контактов на аккумуляторах крайне интересно в медицинских устройствах, которым необходима периодическая стерилизация. Продолжая тему контактов отметим, что беспроводное зарядное устройство также лишено проблем с износом клемм при долговременном использовании.

Производители электромобилей стремятся использовать все преимущества и удобства беспроводной зарядки. Примером такого использования служит парковка электромобиля над передающей катушкой, которая производит зарядку, пока транспортное средство не двигается. Уже существуют проекты по созданию магистралей со встроенными зарядными катушками для непрерывной зарядки во время движения или ожидания на светофоре. Технически это конечно осуществимо, но высокая стоимость, низкая эффективность и полевая (автоэлектронная) эмиссия при передаче высокой мощности остаются непреодолимыми проблемами.

Согласно действующих регламентов предусматривается, что сетевой адаптер должен обладать минимальным КПД 85 % (США) или 87 % (Европейский союз). Добавление внутренних потерь сетевого адаптера к собственным потерям беспроводной зарядки понижает уровень эффективности такого зарядного устройства до 75-80 %. В аспекте данных о том, что во всем мире единовременно подключены к розетке порядка 1 миллиарда зарядных устройств для мобильных телефонов, вопрос потери энергии становится весьма существенным. В целях повышения эффективности и, следовательно, соответствию требованиям, проводятся исследования, призванные улучшить КПД существующих стандартов беспроводной зарядки.

Потерянная энергия превращается в тепло, и беспроводное зарядное устройство может существенно нагреться во время зарядки. Так как заряжаемое устройство находится довольно близко к зарядному, то это тепло распространяется и на него, что может привести к повреждениям. Следует отметить, что теплообразование происходит только во время зарядки, и после того, как аккумулятор полностью заряжен, система остывает.

При разработке стандарта Qi было уделено очень много внимания безопасности - первая версия этого стандарта ограничивалась мощностью 5 Вт. В дальнейших спецификациях показатель мощности рос, составив в среднем 120 Вт, но существуют существенные ограничения по излучению. Так как воздействие повышенного излучения несет вред здоровью, то подобные ограничения также распространяются и на вышки мобильной связи и на мощные Wi-Fi передатчики.

Хотя в отличие от того же ионизирующего рентгеновского излучения, электромагнитное излучение от мобильных телефонов, Wi-Fi и беспроводных зарядок является неионизирующим и считается безвредным, из-за все большего его распространения общество стало ставить под сомнение безопасность таких устройств. Так что в данный момент существуют законодательные ограничения и в сфере неионизирующего электромагнитного излучения.

Несмотря на то, что вопрос влияния на здоровье неионизирущего излучения является спорным, все же не рекомендуется хранить мобильные телефоны слишком близко к телу. В режиме ожидания телефон постоянно ищет контакт с ближайшей вышкой, и мощность передачи непосредственно зависит от расстояния до нее.

С экономической точки зрения беспроводная зарядка дороже обычной на 25 процентов, так что для потребителей, желающих сэкономить, использование классических проводных технологий остается более предпочтительным. Как и для птиц, привыкших сидеть на проводах.

Беспроводная зарядка

Рисунок 3: Плюсы и минусы беспроводной зарядки. Беспроводная зарядка конечно удобнее, но не дает альтернативы в плане поддержки уставших птиц.

Последнее обновление 2016-02-25


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 4/5 на основе 3 голосов