International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

9 (May, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

PHYSICS AND MATHEMATICS

UDC 621.316

EOI 10.11232/2663-4139.09.17

ВИМІРЮВАННЯ ККД БЕЗДРОТОВИХ ПЛАТФОРМ ДЛЯ ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРІВ

ПЄРОВ О.Г., ЦАРЕНКО П.О.

 

УКРАЇНА


Анотація. На теперішній час бездротові платформи для зарядки акумуляторів можуть бути реалізовані різними способами, кожен з яких відрізняється своїм набором переваг. Проте, для всіх типів бездротових платформ нагальним питанням залишається ефективність бездротової передачі енергії. Наявні на сьогоднішній день конкретні дані про ККД бездротових платформ для зарядки дозволяють об'єктивно оцінювати різні стандарти і допомагають зробити обґрунтований вибір, щодо того чи іншого варіанту бездротової платформи. Крім того, дані про ефективність бездротової передачі енергії дозволяють розробникам продукції визначити, якою мірою доведеться «розплачуватися» зниженням ККД, за ті чи інші переваги для користувача.

Ключові слова: бездротова платформа, ККД, передача енергії.

  • Вступ

На сьогодні бездротові платформи для зарядки можуть бути реалізовані різними способами, кожен з яких відрізняється своїм набором переваг. Проте, для всіх типів бездротових платформ нагальним питанням залишається ефективність бездротової передачі енергії. Зі зрозумілих причин, багато інженерів ставляться скептично до бездротових платформ, так як важко собі уявити, що дві котушки індуктивності розташовані на деякій відстані одна від одної, можуть скільки-небудь ефективно передавати енергію до акумулятора який заряджається. Та все ж, наявні на сьогоднішній день конкретні дані про ККД бездротових зарядних пристроїв, дозволяють об'єктивно оцінювати різні стандарти та допомагають зробити обґрунтований вибір на користь того чи іншого їх варіанту. Крім того, дані про ефективність бездротової передачі енергії дозволяють розробникам продукції визначити, якою мірою доведеться «розплачуватися» зниженням ККД за ті чи інші переваги для користувача.

Слід визнати, що у відкритих публікаціях міститься недостатньо даних, які дозволяють порівняти різні стандарти бездротової передачі енергії в реальних умовах експлуатації. Розробники джерел електроживлення зазвичай оцінюють якість джерела живлення по його ККД в діапазоні навантажень. Відповідно, і бездротові платформи для зарядки, по суті, є різновидом джерел живлення, і часто характеризуються ефективністю передачі енергії при заданому струмі навантаження. Однак застосування цього правила, прийнятого в індустрії джерел живлення, дає спотворені і неточні характеристики стосовно бездротових платформ зарядки. Більш точно ККД бездротової платформи можна визначити шляхом порівняння енергії, накопиченої акумулятором протягом повного циклу зарядки, з енергією, отриманої бездротовим передавачем харчування протягом того ж циклу зарядки.

Бездротова платформа для зарядки побутових мобільних електронних пристроїв набула широкого поширення і була реалізована в декількох варіантах, кожен з яких пропонує свій набір переваг. На жаль, різні платформи бездротової зарядки не сумісні один з одним, тому розробникам, які планують використовувати в своїх виробах технології бездротової передачі енергії, необхідно вивчати переваги і недоліки всіх існуючих стандартів. Основним критерієм вибору системи бездротової платформи є компроміс між ефективністю передачі енергії і перевагами, пропонованими користувачам. Однак відсутність єдиної галузевої методики вимірювання ефективності, не дозволяє оцінити переваги і недоліки основних варіантів бездротових платформ.

Основні характеристики бездротових платформ для  зарядки, що використовують для передачі енергії змінне магнітне поле, наведені в табл. 1.

 

Таблиця 1. Основні характеристики систем бездротової зарядки

  • Відмінності між стандартами бездротових платформ

Більшість бездротових зарядних пристроїв випускається в конфігурації з сильносвязаними котушками. Класичним прикладом такої системи є смартфон, встановлений в бездротову зарядну підставку на робочому столі. Конфігурація з сильнозв'язаними котушками забезпечує максимальний ККД, мінімальний рівень перешкоджаючої еміссіі і мінімальну вартість.

У слабкозв'язаних конфігураціях передавач встановлюється на поверхні панелі, стільниці чи інших частинах меблів, при цьому заряджаємий пристрій може розташовуватися десь поблизу від передавача. Слабкозв'язані конфігурації можуть вбудовуватися в готові меблі і охоплюють 5-10% обсягу від продажів бездротових зарядних платформ. Їх основною перевагою є більша відстань до заряджуваного пристрою, що досягається за рахунок меншого ККД і більшої вартості. Недоліком слабкозв'язаних конфігурацій з високою робочою частотою, є також проблема забезпечення відповідності нормам перешкоджаючої еміссіі.

Одна з головних проблем, пов'язаних з отриманням придатних для практики даних про ефективність різних способів бездротової передачі енергії, полягає у відсутності узгодженої методики вимірювань. Ефективність передачі енергії від котушки до котушки або від входу до виходу перетворювача постійного струму не дозволяють оцінити загальний ККД системи. Наприклад, сильнозв'язані (нерезонансні) і слабкозв'язані (резонансні) системи, можуть забезпечити ефективність передачі енергії понад 90%, однак ці дані можуть ввести в оману, тому що висока ефективність передачі енергії не означає, що і загальний ККД системи складає 90%.

При вимірах з навантаженням, підключеного до виходу випрямляча бездротового приймача (рис. 1, вихід A), також можна отримати високі значення ефективності передачі енергії в навантаженні (понад 85% в сильнозв'язаних і 75% в слабкозв'заних системах). Але і ці дані не можуть розглядатися як характеристика загального ККД системи. Більш точним показником реальної ефективності є результати вимірювань на виході стабілізатора напруги (рис. 1, вихід B), проте його вихідну напругу і опір навантаження необхідно вибирати з урахуванням імітації циклу зарядки акумулятора (рис. 1, вихід C).

Рис. 1. Схема вимірювання ККД системи бездротової зарядки

 

Консорціум бездротового живлення (Wireless Power Consortium, WPC), який розробив перший у світі стандарт бездротової зарядки під назвою Qi (вимовляється "Ци"), провів у Державному університеті штату Колорадо, США, вимір ККД двох типів бездротових платформ для зарядки: слабкозв'язаної системи з котушками, працюючими в резонансі на частоті 6,78 МГц, і сильнозв'язаної нерезонансної системи з частотою комутації 110 ... 205 кГц. В обох випадках використовувалася типова система зарядки акумулятора мобільного телефону. У стабілізаторі напруги і зарядному пристрої використовувалися імпульсні перетворювачі постійної напруги, в якості яких були обрані кращі в своєму класі пристрої з ККД більше 90%. Для імітації характеристик навантаження була розроблена модель акумулятора ємністю 2100 мА * год, що описує процес його заряду (рис. 2).

Рис. 2. Графіки заряду літій-іонного акумулятора ємністю 2100 мА * год

 

Оскільки конструкція зарядних систем допускає установку користувачем приймальної частини (телефону) довільним чином, випробування включали в себе також побудову трикоординатної просторової карти ефективності передачі енергії. В обох випадках приймач розташовувався оптимальним чином в площині X-Y з відстанню між котушками 5 мм по осі Z. Вимірювання ККД проводилися протягом типового циклу зарядки акумулятора (від 5 до 95%). Результати досліджень (рис. 3) стали основою методики точної оцінки ККД бездротової платформи.

Рис. 3. 3D-моделювання ефективності передачі енергії бездротового зарядного пристрою: а) для сильносвязанних котушок; б) для слабосвязанних котушок

 

За результатами випробувань було запропоновано, по-перше, розраховувати ККД системи в реальних умовах експлуатації, як відношення енергії накопиченої акумулятором, до енергії отриманої передавачем протягом циклу заряду батареї. При живленні резистивного навантаження від бездротового приймача можна досягти високих показників енергоефективності - в деяких випадках більше 90% для низькочастотних систем. Однак результати випробувань показують, що загальний ККД може значно знизитися, якщо приймач є частиною зарядного пристрою акумулятора, особливо в високочастотних системах.

Зменшення ефективності передачі енергії обумовлено двома основними причинами:

  • високочастотна система вимагає щодо високого імпедансу прийомної антени. Діапазон вихідних напруг приймача зміщує усереднений за часом вхідний імпеданс імпульсного стабілізатора в робочу точку, де ефективність передачі енергії значно нижче;

  • значні комутаційні втрати в вихідних транзисторах високочастотних передавачів.

По-друге, було запропоновано представляти результати вимірювання ефективності передачі енергії у вигляді усередненого просторового показника.

З урахуванням карти розподілу магнітного потоку тестованого передавача ККД системи може значно змінюватися в залежності від розташування заряджаємого пристрою на поверхні або в просторі. Для імітації реальних умов експлуатації вимір ККД необхідно проводити з кроком 2 мм по всьому профілю навантаження. При використанні значень напруги і імпедансу, відповідних моделі акумулятора, можна розрахувати загальну енергію циклу заряду для будь-якої точки простору.

За результатами випробувань було запропоновано оптимальний спосіб розрахунку повної енергії протягом циклу заряду. Навантажувальна характеристика акумулятора описує зміну в часі напруги на акумуляторі VВ(t) і струму заряду IВ(t) протягом циклу зарядки. Енергію EВ, отриману акумулятором, можна обчислити таким чином: в момент часу t циклу заряду приріст енергії акумулятора дорівнює добутку потужності P на інтервал часу dt:

 

   (1)

 

Отже, енергія, яка надходить в акумулятор протягом циклу заряду, є інтегралом від потужності, який, при розрахунку по дискретним інтервалах часу, можна замінити простим підсумовуванням:

 

  (2)

 

де, Δt - крок збільшення;

tn - діапазон часу протягом циклу заряду.

 

У наведених розрахунках Δt становило одну хвилину, а tт (час заряду) встановлювалося програмно від 1 до 150 хв. Аналогічним чином можна використовувати залежність ККД від струму заряду акумулятора η (IВ) для розрахунку частки енергії dES, витраченої передавачем для збільшення енергії акумулятора на величину dEB, як функції струму заряду акумулятора:

 

  (3)

 

Таким чином, ККД циклу заряду визначається:

 

    (4)

 

 

3. Порівняння ККД різних способів бездротової передачі енергії.

Метою даного дослідження є порівняння переваг і недоліків різних способів бездротової передачі енергії. Перша з розроблених систем, сильнозв'язана система Qi, була орієнтована на отримання максимального ККД при мінімальній вартості. Цей варіант платформи найбільш часто застосовується в тих випадках, коли передавач і приймач можна розташувати в безпосередній близькості один від одного, наприклад, в тумбочках з вбудованим зарядним пристроєм, настільних зарядних панелях і станціях для зарядки телефонів в громадських місцях.

Системи бездротової зарядки із збільшеною відстанню між приймачем і передавачем можуть бути реалізовані за рахунок деякого зниження ефективності передачі енергії. Типовим прикладом таких систем є зарядні пристрої, що вбудовуються в готові меблі. Консорціум WPC надає OEM-виробникам повну свободу вибору найбільш придатного для них варіанту бездротової зарядки за умови повної сумісності між пристроями, що працюють за стандартом Qi.

При використанні описаної вище методики розрахунку ефективності передачі енергії протягом зарядного циклу можна побудувати графік залежності повної енергії від часу протягом циклу заряду акумулятора для різних точок в зоні зарядки або в просторовій області зарядки. Як видно з графіків на рис. 4, протягом циклу зарядки акумулятора ємністю 2100 мА * год сильнозв'язана система витратила на 50% менше енергії джерела живлення, ніж слабкозв'зана система.

Втрати в слабкозв'язаних високочастотних і сильнозв'язаних низькочастотних системах визначаються різними факторами. У слабкозв'язаної системи, висока робоча частота призводить до значних комутаційних втрат в передавачі (більше 800 мВт), незважаючи на використання в вихідному каскаді нітрид-галієвих транзисторів і переключення їх в нулі напруги. Очевидною перевагою слабкозв'заної резонансної системи є те, що втрати при передачі енергії залишаються порівняно малими навіть при зміщенні котушок на відстань до 20 мм. Іншим суттєвим фактором втрат є проблема відбору енергії в точці максимальної потужності (MPPT). Характеристичний імпеданс слабкозв'язаної прийомної антени (приблизно 24 Ом) не відповідає импедансу акумулятора (3,5 ... 32 Ома). Більшість систем оптимізує точку відбору потужності для максимального навантаження (4,2 В, 1,2 А, 3,5 Ом), однак на повну енергію заряду впливає також тривалий за часом заряд при малому навантаженні і, відповідно, з більш високим опором.

Рис. 4. Енергія, накопичена акумулятором і енергія, отримана від джерела живлення сильнозв'язаним і слабкозв'язаним передавачами

 

Як випливає з графіків на рис. 5, сильнозв'зані системи забезпечують більш високий ККД, ніж слабкозв'язані.

Рис. 5. Порівняння ККД бездротових систем зарядки з сильнозвя'заними і слабо зв'язаними котушками

 

4. Висновок

Враховуючи реальні дані, можна зробити висновок, що менш ефективну високочастотну слабкозв'язану систему недоцільно використовувати в тих випадках, коли можна обійтися сильнозв'язаною. І навпаки, іноді може виявитися доцільним допустити деяке зниження ККД для збільшення відстані по осі Z. Тому специфікація бездротового зарядного пристрою, яка відповідає всім вимогам ринку, повинна підтримувати як сильно-, так і слабо пов'язані конфігурації.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Wireless charging efficiency: how to measure in the real world [Електронний ресурс]. Режим доступу до ресурсу: https://www.powerelectronictips.com /measuring-wireless-charging-efficiency-in-the-real-world/

  • ABOUT THE WPC. [Електронний ресурс]. Режим доступу до ресурсу: https://www.wirelesspowerconsortium.com /about/about-wpc


MEASURING THE EFFICIENCY OF WIRELESS PLATFORMS FOR CHARGING BATTERIES

PIEROV O., TSARENKO P.
UKRAINE

Abstract.
Currently, wireless platforms for charging batteries can be implemented in different ways, each of which has its own set of advantages. However, for all types of wireless platforms, the efficiency of wireless energy transmission remains an urgent issue. The specific data available today on the efficiency of wireless charging platforms allow us to objectively assess different standards and help to make an informed choice about a particular version of the wireless platform. In addition, data on the efficiency of wireless energy transmission allows product developers to determine the extent to which they will have to "pay" by reducing efficiency, for certain benefits for the user.


Keywords: wireless platform, efficiency, power transmission.

© Пєров О.Г., Царенко П.О., 2020

© Pierov O., Tsarenko P., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 19.05.2020