Бесконтактная зарядка для мобильных устройств

Проблема

В каждом доме, в каждом офисе каждый человек имеет, как правило, по несколько моделей мобильных девайсов, в которые встроены аккумуляторы (сотовые телефоны, ноутбуки, ридеры, MP3-плееры, навигаторы и др.). Те периодически теряют зарядку и их нужно заряжать. А поскольку практически всегда разъёмы и адаптеры для них не совпадают, а также имеются разные требования по зарядному напряжению, то приходится или носить с собой блок питания, а порой и не один. Дома сталкиваешься с трудностью выбрать нужный блок питания, который куда-то запропастился. Если ты в поездке или командировке, помимо необходимости возить с собой кучу проводов с блоками питания прибавляется проблема поиска свободной розетки, куда их можно воткнуть.

Ну, и, хотя провода от зарядки и металлические, но по ним невозможно передавать сигналы, данные, информацию. По мнению многочисленных противников «проводного рабства» было бы здорово, если бы энергия для зарядки мобильного устройства могла передаваться без проводов, прямо по воздуху.

История беспроводной передачи электроэнергии

Идея передачи энергии при помощи радиоволн восходит к работам Николы Тесла на рубеже XIX-XX веков. Тесла сконструировал гигантскую катушку, которая питалась напряжением 300 кВ от низкочастотного источника и возбуждалась на частоте 150000 Гц.

В последующие годы устройство, позже известное как «ректенна», было предложено использовать для беспроводной передачи энергии. Ректенна – это выпрямляющая антенна, которая используется для непосредственного преобразования СВЧ – энергии в электрическую энергию постоянного тока. Для приема радиочастотных сигналов могут использоваться различные типы антенн. Большинство подобных систем беспроводной передачи энергии работают в микроволновом (ГГц) частотном диапазоне. К сожалению, этот диапазон небезопасен для здоровья человека.

Другой подход к беспроводной передаче энергии основан на хорошо известном принципе: две разнесенные катушки,  настроенные на одинаковую резонансную частоту, формируют систему, в которой передача энергии может эффективно осуществляться за счет магнитного взаимодействия между рамками. В то же время, взаимодействие с другими нерезонансными объектами крайне мало. Подобные системы работают в МГц частотном диапазоне, поэтому они могут использоваться в повседневной жизни.

Цель проекта

Основной целью проекта является вывод на рынок систем бесконтактного питания PoWeLL (PowerWireLess), позволяющих упростить и унифицироватьм эксплуатацию портативных мобильных девайсов и гаджетов (сотовые телефоны, ноутбуки, планшетные компьютеры и т.д.), компьютерных периферийных устройств (устройства ввода и вывода информации, механических манипуляторов (мышь) и др.) путем замены устаревших проводных систем питания и зарядки на современные, универсальные и более удобные беспроводные.

Принцип действия

Развиваемая нами технология PoWeLL (бесконтактное питание/зарядка аккумуляторов электронных устройств посредством электромагнитного поля) позволяет отказаться от кабелей, разъемов и разнообразных адаптеров. Принцип действия: в базовой станции и в принимающем питание устройстве установлены резонансные элементы (резонаторы). Базовая станция подключается к электросети и посредством установленного в ней резонатора создает электромагнитное поле, возбуждающее резонатор в приемном устройстве, настроенный на эту же частоту. Электромагнитное поле, наводимое в приемном резонаторе, преобразуется в электрический ток, который питает устройство или заряжает его аккумулятор.

Преимущества решения

Наиболее очевидное преимущество перехода к беспроводным системам питания — увеличение мобильности за счет прекращения использования проводов. Использование одной универсальной зарядной станции позволяет питать и заряжать аккумуляторы одновременно нескольких различных устройств без использования дополнительных переходников и адаптеров. Зарядная станция может встраиваться в любые предметы: в рабочий стол, док-станцию мобильного устройства, в стену и т.п.

Системы бесконтактного питания могут устанавливаться не только дома или на работе, но и в общественных местах. При расположении зарядных станций в местах пребывания пользователей мобильных приложений (офисы, места массового нахождения посетителей и др.) можно производить подзарядку мобильных устройств. Такие зарядные станции могут быть надежно скрыты, что позволит их защитить от воздействия окружающей среды и вандализма.

Помимо удобства, системы бесконтактного питания обеспечат и более высокий уровень безопасности пользователей. Благодаря отсутствию гальванической связи практически полностью исключен риск повреждения мобильного устройства.

Использование систем бесконтактного питания также позволит создавать «безразъемные» электронные устройства, что значительно повысит уровень их защищенности.
Подобные устройства будут сохранять свою работоспособность в самых жестких условиях эксплуатации, что крайне важно для промышленного и военного использования.

Состояние проекта

Проект PoWeLLреализуется с середины 2012 г. и был поддержан на первой стадии развития Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (“Фондом Бортника”). За время выполнения первого этапа разработки были получены следующие основные научные результаты: проведено исследование систем бесконтактного питания и существующих конструкций резонаторов, в основе работы которых лежат различные физические принципы; с использованием программных средств проведено электродинамическое моделирование характеристик различных конструкций передающего и приемного резонаторов, на основании которого выбраны наиболее перспективные варианты конструкций; были исследованы факторы, влияющие на эффективность и другие основные параметры системы бесконтактного питания; предложено техническое решение системы, осуществляющей одновременно беспроводную передачу энергии и информации. Для осуществления передачи данных одновременно с бесконтактной передачей энергии была разработана двух диапазонная конструкция приемного и передающего резонаторов. Были разработаны электрические цепи, осуществляющие согласование входного импеданса резонаторов в рабочих диапазонах с волновым сопротивлением подводящих линий. Предложенная конструкция резонаторов позволяет исключить влияние друг на друга каналов передачи энергии и информации. рассмотрены основные параметры резонаторов и всей системы, влияющие на скорость передачи данных; были изготовлены макеты приёмного и передающего резонаторов; был разработан сценарий тестирования резонаторов; проведено экспериментальное исследование характеристик резонаторов и всей системы в целом.

На сегодняшний день наша команда разработала макет передающего и приёмного модулей, провела их испытания. Передающий модуль будет представлять собой коврик или подставку, в которой размещен резонатор, подключённый к сети ~220 В, передающий энергию вовне. Приёмный модуль будет встраиваться или присоединяться в мобильные устройства и принимать энергию от передающего резонатора, направляя её в аккумулятор. Устройство способно воспринимать отсутствие заряжаемого устройства, в силу чего будет самостоятельно включаться и отключаться от потребления энергии, улучшая энергоэффективность.

Достигнут показатель передачи 10 Вт мощности на расстоянии 2 см, чего вполне достаточно для зарядки нескольких устройств одновременно. Получен патент РФ на полезную модель на разработанное решение бесконтактной зарядки. Проводится подбор и оптимизация элементной базы для первого мелкосерийного образца беспроводной зарядки. 

Решение PoWeLL соответствует требованиям  международного стандарта Wireless Power Consortium  для реализации решений для зарядных устройств, рассчитанных на работу с приборами, имеющими низкий уровень энергопотребления (Qi). Наша система зарядки PoWeLLможет одновременно заряжать мобильное устройство и передавать информацию!

Экологические стандарты беспроводной зарядки

В настоящее время, ряд крупных компаний продемонстрировали преимущества использования систем бесконтактной передачи энергии, такие как Intel, Witricity, Samsung, Texas Instruments, Murata и др. По-началу крупные компании, как и в случае с проводными адаптерами, разрабатывали свои решения по своему усмотрению. Однако вскоре логика здравого смысла взяла верх и для унификации подходов, чтобы сделать бесконтактную зарядку поистине универсальным решением, был создан международный консорциум Wireless Power Consortium, который разработал и развивает стандартные требования к таким системам. Данный стандарт Qi (произносится как «чи», что в переводе с китайского означает «поток энергии») единственный глобально принятый интерфейс беспроводной зарядки устройств, созданный консорциумом Wireless Power Consortium, состоящим из более чем 100 различных компаний. Они включают в себя как главный элемент нормативы по минимизации воздействия электромагнитного излучения на человека и окружающую среду. 

Наш вариант бесконтактной зарядки полностью соответствует стандарту Qi и в ближайшее время мы планируем стать членом этой ассоциации.

Назначение инвестиций

Искомые средства для инвестирования в реализацию проекта будут направлены на:

1. Доработку конструкции передающего резонатора базовой станции, отвечающей функционалу выбранной архитектуры с учетом возможности встраивания в корпуса, мебель существующие устройства и элементы интерьера.

2. Выпуск установочной партии бесконтактной зарядки PoWeLL(передающих модулей и приёмных модулей) типа HandMadeв количестве 100 шт.

3. Разработка модуля, позволяющего использовать дополнительные альтернативные источники энергии (солнечные батареи и др.). 

4. Патентование разработанного решения за рубежом (РСТ).

5. Сертификация разработанных модулей.

Ваше содействие очень важно для нас, поскольку не только поможет продвинуть проект, но и позволит выйти с высокотехнологичным отечественным электронным прибором  на российский и международные рынки!