Анализ Физических Факторов, Ограничивающих Эффективность Беспроводной Передачи Энергии В Стандарте Qi

В настоящее время вокруг нас происходит ряд технологических изменений. Нетрудно заметить тенденцию ухода от проводов: люди всё меньше и меньше используют проводные наушники, проводные мыши и т. д. Следующим логичным шагом является отказ от проводных зарядок, которые, в отличие от своих «собратьев», до сих пор всюду нас окружают. Конечно, в обиход уже вошли беспроводные зарядки, однако технология упирается в физические ограничения, за счёт чего проигрывает проводным зарядкам.

Целью работы: рассмотреть физические явления, объясняющие беспроводную передачу энергии, и проанализировать факторы потерь энергии, а также описать современные инженерные решения повышения эффективности.

Беспроводная передача электричества основана на явлении магнитной индукции Фарадея. В 1831 году он поставил опыт, экспериментально показывающий, что переменное магнитное поле, возникающее от протекания тока в одном проводнике, индуцирует ток в другом проводнике. Сила тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

(1)

(2)

Никола Тесла первым реализовал идею передачи электричества на расстоянии.

Зарядная площадка создаёт переменное магнитное поле за счёт находящейся в ней катушки (будем называть её «катушка, отдающая»). При перемещении телефона на эту площадку магнитное поле индуцирует переменный ток в катушке телефона (катушка, принимающая). При этом чем ближе друг к другу находятся проводники, тем сильнее возникающий индуцированный ток. Эти две катушки являются индуктивно связанными.

Взаимная индуктивность М определяет значение потокосцепления второй катушки с магнитным полем, созданным током первой катушки. Она зависит от размеров катушек, их расположения друг относительно друга, а также от магнитной проницаемости среды между катушками.

(3)

Величина ЭДС, возникающая во второй катушке:

(4)

Знак минус в формуле показывает, что возникающая ЭДС противодействует причине её возникновения.

Так, из формул (3) и (4) понятно, что ЭДС зависит от расстояния между катушками и убывает пропорционально кубу расстояния между ними.

Система «катушка, отдающая» и «катушка, принимающая» по сути своей является трансформатором с воздушным сердечником, за счёт чего появляются первые потери энергии в сравнении с ферритным сердечником. Таким образом, для достижения минимальных потерь в системе телефон — беспроводная зарядка нужно, чтобы расстояние между ними было минимальным. Даже небольшое смещение приводит к большим потерям.

Эффективность передачи энергии может быть повышена за счёт введения резонанса. Резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре позволяет компенсировать реактивное сопротивление катушки, обеспечивая максимальный ток при минимальном напряжении. В системах Qi это реализуется включением конденсатора последовательно с катушкой. Рабочая частота — 100–205 кГц.

Тепловые потери — одна из основных причин снижения КПД беспроводной зарядки. Их природа обусловлена конечным активным сопротивлением проводников катушек, а также диэлектрическими потерями в изоляционных материалах. Рассеиваемая мощность подчиняется закону Джоуля–Ленца:

(5)

На рабочих частотах определяющую роль играет скин-эффект. Переменное поле вытесняет ток к поверхности проводника, сокращая его эффективное поперечное сечение.

Глубина скин-слоя:

(6)

С ростом частоты δ уменьшается, а эффективное сопротивление обмотки возрастает. Это влечёт рост омических потерь. Магнитное поле смежных витков перераспределяет локальную плотность тока, дополнительно увеличивая потери сверх расчётного скин-вклада.

Также стоит выделить два вида потерь, связанных с ферритовыми экранами, которые концентрируют ток в катушках. Это потери, связанные с токами Фуко и гистерезисом.

Переменное поле индуцирует в феррите замкнутые вихревые токи, мощность которых пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды магнитной индукции. Поэтому выбор рабочей индукции критически важен: даже небольшое повышение. В при высокой частоте приводит к резкому росту потерь.

Магнитное поле внутри сердечника трансформатора постоянно меняет своё направление, что приводит к необратимому перемагничиванию доменов. За каждый цикл перемагничивания рассеивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. В отличие от вихревых токов, которые растут квадратично, потери на гистерезис повышаются линейно. В связи с этим на низких частотах они доминируют. Суммарные магнитные потери:

(7)

Это оптимальное соотношение частоты и амплитуды индукции, при которых суммарные магнитные потери минимальны для заданного уровня передаваемой мощности.

На практике суммарные потери в сердечнике оцениваются по эмпирической формуле Штейнметца с материальными константами, определяемыми экспериментально для конкретной марки феррита.

В настоящее время выделяют несколько методов повышения эффективности.

Литцендрат. Замена сплошного проводника многожильным литцендратом, у которого диаметр каждой жилы не превышает удвоенную глубину скин-слоя, обеспечивает равномерное распространение тока по сечению и кратное снижение эффективного сопротивления обмотки. Параллельно применяются ферритовые экраны, которые концентрируют поток и подавляют паразитное рассеяние.

Резонансная компенсация. Введение компенсирующих конденсаторов в первичный и вторичный контуры переводит систему в резонансный режим, при котором реактивная мощность циркулирует между катушками, не нагружая источник питания. Стандарт Qi предусматривает четыре топологии компенсации, выбор между которыми определяется характером нагрузки и допустимой расстройкой резонанса при смещении катушек.

Адаптивное управление. Протокол Qi реализует замкнутую обратную связь через модуляцию нагрузки. Приёмник передаёт пакеты данных о принимаемой мощности, а контроллер передатчика непрерывно корректирует рабочую частоту и амплитуду питающего напряжения, удерживая систему в оптимальной рабочей точке.

Многокатушечные матрицы. Фазированные решётки передающих катушек формируют результирующее поле как суперпозицию вкладов отдельных элементов. Оптимизация амплитуд и фаз токов в каждой катушке методами наименьших квадратов позволяет максимизировать плотность потока в зоне приёмника при одновременной минимизации суммарных потерь в матрице.