Технология беспроводной зарядки для промышленных и электротранспортных средств

Технология беспроводной зарядки позволяет восполнять запас емкости АКБ без применения кабелей и зарядных разъемов. С помощью этого метода можно заряжать не только смартфоны, планшеты, камеры, смарт-часы и наушники, но и промышленное оборудование, и электротранспортные средства. Сегодня эта технология активно развивается и, в частности, помогает автоматизировать производственные и складские процессы.
Кроме интеллектуальных гаджетов, роботизированной техники и электрокаров, беспроводные зарядные устройства востребованы в медицине, быту и других сферах. С помощью этой технологии можно заряжать инфузионные насосы, кардиостимуляторы и другие имплантируемые устройства, датчики давления в шинах, бытовые приборы, светодиодные светильники и многие другие изобретения.

Принцип передачи энергии без кабелей

Смысл этой технологии хорошо понятен из названия и заключается в зарядке аккумуляторов разнообразной техники без применения проводов. Придумать и реализовать этот метод удалось, используя явление электромагнитной индукции или магнитного резонанса.
Энергия передается при помощи 2 медных катушек:

Передатчик в зарядной или док-станции. Когда он подключен к электросети, под действием тока в нем создается переменное магнитное поле.
Приемник внутри заряжаемого устройства. Когда он находится около передатчика, магнитное поле превращается в электричество и образующийся ток заряжает аккумуляторную батарею.

Таким образом, энергия передается от передатчика к приемнику через магнитное поле, благодаря магнитно-резонансной связи, после чего переменный ток преобразуется в постоянный и подзаряжает АКБ. В большинстве случаев для передачи энергии без проводов используется магнитная индукция, но эффективность этой технологии зависит от близости передатчика и приемника.
С помощью магнитного резонанса возможна передача энергии на большее расстояние и зарядка при неточном позиционировании техники. Катушкам в этом случае не обязательно находиться на минимальном расстоянии, и между ними могут быть препятствия. Поэтому при использовании магнитного резонанса техника заряжается даже при неточной парковке, в то время как при индукционной зарядке катушки чувствительны к позиционированию электротехнических средств.

Варианты технического исполнения

Для зарядки электротранспортных средств часто используются передатчики (зарядные платформы) в виде наземных панелей. Приемники в таком случае размещают на днище электрокара, робототехники или других заряжаемых устройств. При этом есть 2 способа реализации беспроводной зарядки:

Статический – напольная подзарядка, парковка над плитой (напольным доком). В этом случае платформа с индукционной катушкой («плита») размещается, к примеру, в гараже, на парковке или у светофора, и электромобиль или другое электротранспортное средство заряжается, стоя над ней. Аккумуляторы заряжаются автоматически, как только приемная катушка оказывается в зоне действия передатчика.
Динамический – подзарядка в движении. При использовании этого метода индукционные катушки встраивают в дорожное полотно или в пол по маршрутам движения техники, чтобы она заряжалась в процессе движения. Такой подход позволяет значительно увеличивать расстояние пробега.

Для зарядки автоматизированных транспортных средств, сервисных и промышленных роботов часто используют метод высокочастотной магнитной индукции. Автономный мобильный робот просто заезжает на зарядную платформу или подъезжает к стене с установленной док-станцией. Так происходит автоматическая подзарядка его аккумуляторов – без участия человека и без износа механических контактов.

Преимущества

Главными плюсами беспроводной передачи энергии (Wireless Power Transfer, WPT) выступают:

высокий КПД индукционной передачи энергии – порядка 90–95%;
автоматическое восполнение емкости АКБ – без участия человека и потерь времени;
удобство;
отсутствие кабелей и разъемов между передатчиком и приемником, а значит, и отсутствие проблем с их износом или коррозией;
безопасность технологии, даже при использовании в загрязненной или влажной среде (благодаря отсутствию открытых контактов оборудование не чувствительно к пыли и влаге);
универсальность – один передатчик способен заряжать разнообразные виды техники, если они совместимы между собой;
возможность отказаться от разнотипных адаптеров и зарядников;
долговечность – при корректной эксплуатации зарядная станция служит дольше, чем провод;
возможность обеспечить автономность 24/7 – когда роботы сами восполняют заряд АКБ, в т. ч. при коротких перерывах в работе;
способность обеспечивать мощную зарядку.

Для зарядки беспроводных датчиков и компактной электроники используются маломощные доки. Мощность док-станций для мобильных гаджетов обычно составляет 10–25 Вт, но есть и более мощные модели – до 100 Вт. Для подзарядки роботизированной техники обычно применяют доки мощностью 1–5 кВт. Системы для восполнения емкости АКБ электрокаров бывают мощностью от 3,7 кВт (домашние) до 22–50 кВт и более (доки для быстрой зарядки).

Стандарты беспроводной зарядки

Большинство устройств, поддерживающих беспроводную зарядку, работает по стандарту Qi, с использованием магнитной индукции. В частности, эту технологию от консорциума Wireless Power Consortium (WPC) поддерживают смартфоны LG, Samsung, Xiaomi, Apple и др. Принцип их подзарядки стандартный: когда катушка приемника попадает в зону действия передатчика, его силовые линии проходят через катушку приемника и создают в нем переменный ток. Далее он преобразуется в постоянное напряжение и заряжает устройство.
Стандарт Qi определяет частоты, используемые для передачи энергии, а также регламентирует требования к док-станциям и гаджетам. Тем самым он обеспечивает их совместимость и безопасную эксплуатацию. В частности, этот стандарт не допускает включения передатчика в случае попадания в магнитное поле монет или других металлических предметов, склонных к значительному нагреву.
Усовершенствованная версия стандарта Qi называется MagSafe и обеспечивает более стабильную и быструю зарядку благодаря точному размещению гаджетов на док-станции. Для этого инженеры встроили в заднюю панель зарядной катушки магниты. Помимо портативной электроники и носимых устройств, стандарт Qi версий 1.2.4–2.0 используется для зарядки малых роботов и БПЛА. Он поддерживает мощность до 15–30 Вт.
Основной стандарт беспроводной зарядки электромобилей и промышленных роботов – это SAE J2954. Он обеспечивает совместимость электротранспортных средств различных производителей и подразумевает индуктивную зарядку разной мощности – от 3,7 кВт (WPT1) до 11 кВт (WPT3) и выше. Для промышленного электротранспорта, автоботов, роверов, роботов (AGV) и погрузчиков применяются закрытые протоколы производителей и стандарт ISO 15118. Для быстрой подзарядки такой техники в местах остановки организовывают зарядные системы средней и высокой мощности.

Выводы

Людям свойственно изобретать полезные вещи, которые делают работу проще, а жизнь интереснее. Хорошим примером этой тенденции становится постепенный отказ от лишних проводов. Вначале это ноу-хау затронуло акустические системы и компьютерную периферию, затем – зарядные устройства. Некоторые технологии еще находятся на стадии разработки и тестирования, другие – уже внедрены и позволяют на практике оценить их преимущества.
В некоторых случаях можно выбирать принцип питания, исходя из имеющихся предпочтений. Но иногда беспроводная зарядка становится не просто удобным, а очень выгодным решением, обеспечивающим ощутимую экономию усилий, средств и времени. Сегодня док-станции с беспроводным подключением техники – пример инноваций, при внедрении которых оптимизируются производственные процессы и создаются предпосылки для успешного развития бизнеса.
Ранее в блоге Shura-Master.ru вышла статья о рыночных трендах 2025 года в сфере промышленного оборудования.