Сучасну людину важко здивувати бездротовими системами передачі енергії. Харвестери радіовипромінювання, бездротові зарядні пристрої, RFID - міцно увійшли в наше життя. Потужність цих пристроїв невелика, але достатня для харчування портативної і малопотребляющей електроніки. Створення більш потужних бездротових систем ускладнювалося низьким ККД при передачі енергії. Однак останнім часом розроблені і активно впроваджуються сучасні технології з низькими втратами. Так, наприклад, бездротові рішення від компанії WiTricity мають ККД передавального тракту до 90% і потужність в кілька кіловат.

Принцип передачі енергії за допомогою електромагнітного взаємодії добре відомий. Якщо на обмотку котушки подати змінну напругу, то створене електричне поле призведе до виникнення змінного магнітного поля. Якщо поблизу с першої котушкою помістити другу котушку, то змінне магнітне поле викличе в її обмотках змінне електричне поле (рис. 1). Таким чином, відбувається бездротова передача енергії від однієї котушки (котушка передавача) до іншої (котушка приймача).

Мал. 1. Передача енергії за допомогою ВЧ електромагнітного поля

У такого способу передачі є недоліки. Щоб передати мало-мальськи значиму потужність, важливо забезпечити цілий ряд умов. По-перше, потрібно поміщати котушки в безпосередній близькості один від одного. По-друге, необхідно забезпечити їх паралельне розташування. По-третє, важливо пам'ятати і про втрати в сердечниках і проводах.

Через складність виконання перерахованих вимог, ККД бездротових систем передачі потужності довгий час залишався низьким. Велика частина випромінюваної енергії йшла в порожнечу і розсіювалися у вигляді тепла в осерді і обмотках. Значно підвищити ККД виявилося можливим за допомогою резонансних схем. Незважаючи на те, що ідея витала в повітрі, її комерційна реалізація відбулася лише недавно. У 2007 році Марином Солячича була заснована компанія WiTricity, що використовує однойменну фірмову технологію бездротової передачі енергії за допомогою резонансної системи.

Суть технології полягає в тому, що і передає, і приймальний контур мають високу добротність і точний збіг частот резонансів. У такій системі важливе значення мають погоджують ланцюжка на передавальної і на приймаючій стороні (рис. 2).

Мал. 2. Архітектура резонансної бездротової системи передачі енергії

Результуючі втрати такої системи виявляються надзвичайно низькими. Так, для існуючих розв'язків компанії, ККД передавального тракту котушка-котушка досягає 90%!

технологія WiTricity має цілий ряд переваг перед традиційними бездротовими системами передачі потужності:

• Широкий діапазон переданої потужності до декількох тисяч Ватт.
• Можливість роботи навіть при значних відстанях між передавачем і приймачем. Наприклад, оцінний набір WiT-3300 Development Kit здатний передавати до 3,3 кВт на відстані більше 10 см. Це означає, що пристрої можна заряджати, не порушуючи герметичності корпусів, що надзвичайно важливо для військових і промислових додатків.
• Низька чутливість до позиціонування приймальника і передавача.
• Можливість одночасної зарядки декількох пристроїв.

Все це робить рішення WiTricity ідеальним вибором для самих різних областей (рис. 3).

Мал. 3. Області застосування потужних бездротових систем передачі енергії

Ознайомитися з можливостями технології WiTricity можна за допомогою двох наборів: WiT-5000 і WiT-3300.

WiT -5000 Development Kit - набір розробника, що включає зарядну платформу з двома передавачами потужності (5 Вт кожен), дві плати приймача з виходом 12 В, набір сполучних кабелів, а так само всю необхідну документацію для розробки власних пристроїв. Система працює з частотою резонансу 6,78 МГц і здатна заряджати декілька пристроїв, розташованих на поверхні зарядної платформи (рис. 4).

Мал. 4. Зовнішній вид 10 Вт системи WiT-5000

Незважаючи на те, що зарядна платформа розроблена з прицілом на роботу в сегменті споживчої електроніки і навіть спеціалізована для iPhone5 / 5s (рис. 4), ніхто не заважає розробникам застосовувати WiT-5000 для інших областей:

• Медицина: для зарядки акумуляторів портативних медичних пристроїв (глюкометри, електронні градусники і т.д.);
• Промисловість: для зарядки акумуляторів промислових герметичних датчиків, рацій і малопотужних електроприладів (викруток);
• Системи освітлення: для портативних світильників.

Цікавим є той факт, що плати передавачів абсолютно спокійно можна вбудовувати в меблі і різні корпуси.

Для розробки власних приймаючих пристроїв слід скористатися програмою WiCAD.

WiT -3300 Development Kit - набір розробника, призначений, в першу чергу, для демонстрації можливостей WiTricity для бездротової зарядки акумуляторів електроавтомобілів і автомобілів з гібридною силовою установкою. Набір включає в себе передавач R2.3 з функцією виявлення металевих предметів (FOD) і опціональним датчиком рухомих об'єктів (LOD), приймач R2.3, ВЧ підсилювач, ВЧ випрямляч, сполучні кабелі, документацію, керівництво користувача (рис. 5).

Мал. 5. Базові компоненти 3,3 кВт платформи WiT-3300

Система працює на частоті резонансу 85 кГц і здатна передавати до 3,3 кВт потужності, маючи 90% ККД передавального тракту котушка-котушка. Зазор між приймачем і передавачем може досягати 20 см, а поздовжня і осьова точність позиціонування складають ± 7,5 см і ± 15 см, відповідно. Цього цілком достатньо для створення бездротових заправних електростанцій електромобілів. Основними програмами потужних передавачів WiTricity є:

• Автомобільна промисловість. Основне застосування - бездротова зарядка батарей електроавтомобілів і автомобілів з гібридними силовими установками. Зараз технології WiTricity використовують такі гранди галузі, як Toyota і Mitsubishi.
• Медична електроніка. В першу чергу слід згадати про зарядку акумуляторів імплантованих систем (наприклад, штучного серця). Процес може відбуватися без підключення будь-яких проводів або тим більше хірургічного втручання.
• Промислова електроніка та техніка. Бездротові датчики, електронавантажувачі, кари, електроінструменти - все це потенційні споживачі нової технології бездротової передачі енергії.
• Системи домашнього і промислового освітлення. Як приклад варто навести досвід компанії OSRAM, яка використовувала технології WiTricity для створення бездротових систем світлодіодного освітлення.
• Авіаційна та військова електроніка. Бездротові системи передачі потужності будуть затребувані для зарядних пристроїв безпілотних літальних апаратів, для армійських екзоскелетів, для роботів-саперів та інших додатків, що вимагають високого рівня герметичності корпусу. Герметизацію таких пристроїв можна буде зробити всього один раз - при виробництві, а в подальшому використовувати бездротову зарядку.

Говорячи про створення власних систем на базі технології WiTricity, слід згадати про пакет розробки WiCAD.

WiCAD - програмний пакет, що дозволяє розрахувати та промоделювати основні параметри системи: параметри приймача і передавача, характеристики еквівалентної схеми, оптимальні значення узгоджувальних ланцюжків, струми і напруги системи. Крім того, програма дає додаткові можливості для оцінки рівня і розподілу електромагнітного випромінювання.

Процес розробки з WiCAD складається з трьох етапів: розрахунок параметрів котушок та узгоджувальних ланцюжків, аналіз рівня електромагнітного випромінювання і його безпеки, створення прототипів і точна настройка.

Немає сумнівів, що затребуваність потужних бездротових систем передачі енергії буде найближчим часом постійно зростати. З цієї причини саме зараз слід приділяти велику увагу новітнім розробкам в цій галузі, таким, наприклад, як технології WiTricity.

Характеристики WiT-5000 Development Kit:

• склад набору: зарядна платформа з вхідною напругою 12 В, два шлейфи для підключення iPhone5 / 5s, плати передавача потужності (вхід 12 В), дві плати приймача енергії, сполучні кабелі, документація, інструкції, програмний код (для ліцензування);
• вхідна потужність: 24 Вт (12 В / 2 А);
• вихідна потужність: 10 Вт (2x5 Вт), 5 В / 1А;
• частота передачі: 6,78 МГц;
• площа зарядної платформи 13x15 см;
• підтримувані комунікаційні протоколи: Bluetooth LE;
• повний ККД: 60%;
• ККД передачі котушка / котушка: 90%;
• розміри плати передавача: 19,5x13,0 см;
• габарити плати приймача: 5,7x11,7x1,6 см.

Характеристики WiT-3300 Development Kit:

• склад набору: передавач R2.3 з функцією виявлення металевих предметів (FOD) і опціональним датчиком рухомих об'єктів (LOD), приймач R2.3, ВЧ підсилювач, ВЧ випрямляч, сполучні кабелі, документація, керівництво користувача;
• частота передачі: 85 кГц;
• точність позиціонування: ± 15 см (осьова похибка позиціонування), ± 7,5 см (поздовжня точність позиціонування);
• вихідна потужність: 300 Вт ... 3,3 кВт;
• вихідна напруга: 300 ... 400 В (10-15 см зазор між передавачем і приймачем);
• габарити передавача: 50x50x5 см (13,6 кг);
• габарити приймача: 30x30x2 см (4 кг);
• габарити блоку согласующей ланцюжка: 36x10,5x3,5 см (1,8 кг);
• габарити ВЧ підсилювача: 64x37x16 см (16,6 кг);
• габарити ВЧ випрямляча: 29,5x16,5x7 см (3,6 кг).

Про компанію

WiTricity Corporation - американська компанія, що спеціалізується на створенні систем бездротової передачі енергії на базі фірмової технології резонансного електромагнітного взаємодії WiTricity.

WiTricity Corporation була заснована в 2007 році Марином Солячича. На даний момент рішення і технології WiTricity застосовуються іменитими компаніями в чотирьох основних сферах: автомобільна промисловість (Toyota, Mitsubishi, IHI, Delphi), освітлення (OSRAM), медицина (Greatbatch, MediaTek Inc.), споживча електроніка (Intel, Alps Electric).