Измерение КПД беспроводных зарядных устройств в реальных условиях эксплуатации

В настоящее время беспроводные зарядные устройства могут быть реализованы различными способами, каждый из которых отличается своим набором преимуществ. Тем не менее, для всех типов беспроводных зарядных устройств насущным вопросом остается эффективность беспроводной передачи энергии. Имеющиеся на сегодняшний день конкретные данные о КПД беспроводных зарядных устройств позволяют объективно оценивать различные стандарты и помогают сделать обоснованный выбор в отношении того или иного варианта зарядного устройства. Кроме того, данные об эффективности беспроводной передачи энергии позволяют разработчикам продукции определить, в какой мере приходится «расплачиваться» снижением КПД за те или иные преимущества для пользователя.
1673
В избранное

В настоящее время беспроводные зарядные устройства могут быть реализованы различными способами, каждый из которых отличается своим набором преимуществ. Тем не менее, для всех типов беспроводных зарядных устройств насущным вопросом остается эффективность беспроводной передачи энергии. По понятным причинам многие инженеры относятся скептически к беспроводным зарядным устройствам, так как трудно представить себе, что две катушки индуктивности, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, могут сколь-нибудь эффективно передавать энергию заряжаемому аккумулятору.

Однако имеющиеся на сегодняшний день конкретные данные о КПД беспроводных зарядных устройств позволяют объективно оценивать различные стандарты и помогают сделать обоснованный выбор в отношении того или иного варианта зарядного устройства. Кроме того, данные об эффективности беспроводной передачи энергии позволяют разработчикам продукции определить, в какой мере приходится «расплачиваться» снижением КПД за те или иные преимущества для пользователя.

Следует признать, что в открытых публикациях содержится недостаточно данных, позволяющих сравнить различные стандарты беспроводной передачи энергии в реальных условиях эксплуатации. Разработчики источников электропитания обычно оценивают качество источника питания по его КПД в диапазоне нагрузок. Соответственно, и беспроводные системы зарядки, являющиеся, по сути, разновидностью источников питания, часто характеризуются эффективностью передачи энергии при заданном токе нагрузки. Однако применение этого правила, принятого в индустрии источников питания, дает искаженные и неточные характеристики применительно к беспроводным системам зарядки.

Более точно КПД беспроводного зарядного устройства можно определить путем сравнения энергии, накопленной аккумулятором в течение полного цикла зарядки, с энергией, полученной беспроводным передатчиком питания в течение того же цикла зарядки.

Беспроводная зарядка для бытовых мобильных электронных устройств получила широкое распространение и была реализована в нескольких вариантах, каждый из которых предлагает свой набор преимуществ. К сожалению, различные системы беспроводной зарядки не совместимы друг с другом, поэтому разработчикам, планирующим использование в своих изделиях технологии беспроводной зарядки, необходимо изучить преимущества и недостатки всех существующих стандартов. Основным критерием выбора системы беспроводной зарядки является компромисс между эффективностью передачи энергии и преимуществами, предлагаемыми пользователям. Однако отсутствие единой отраслевой методики измерения эффективности не позволяет оценить преимущества и недостатки основных вариантов беспроводной зарядки.

Основные характеристики систем беспроводной зарядки, использующих для передачи энергии переменное магнитное поле, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики систем беспроводной зарядки

Конфигурация катушек

Поддерживаемые стандарты

Рабочая частота, кГц

Структура антенны

Преимущества*

Резонансная (слабосвязанная)

Rezence

6780

Периметральная

Увеличенное расстояние по оси Z

Qi

105

Планарная или матрица катушек

Несколько устройств

Индуктивная (сильносвязанная)

Qi

110 ~ 205

Планарная или матрица катушек

Высокий КПД

PMA

200 ~ 300

Привлекательная цена

* - В настоящее время на рынке отсутствуют устройства, работающие по стандарту Rezence. Заявленные преимущества представлены на основе материалов, опубликованных в открытой печати.

Различия между стандартами беспроводной зарядки

Большинство беспроводных зарядных устройств выпускается в конфигурации с сильносвязанными катушками. Классическим примером такой системы является смартфон, установленный в беспроводную зарядную подставку на рабочем столе. Конфигурация с сильносвязанными катушками обеспечивает максимальный КПД, минимальный уровень помехоэмиссии и минимальную стоимость.

В слабосвязанных конфигурациях передатчик устанавливается на поверхности панели, столешницы или других частях мебели, при этом заряжаемое устройство может располагаться где-то поблизости от передатчика. Слабосвязанные конфигурации могут встраиваться в готовую мебель и охватывают 5…10% объема продаж беспроводных зарядных устройств. Их основным преимуществом является большее расстояние до заряжаемого устройства, что достигается за счет меньшего КПД и большей стоимости. Недостатком слабосвязанных конфигураций с высокой рабочей частотой является также проблема обеспечения соответствия нормам помехоэмиссии.

Одна из проблем, связанных с получением пригодных для практики данных об эффективности различных способов беспроводной зарядки, заключается в отсутствии согласованной методики измерений. Эффективность передачи энергии от катушки к катушке или от входа к выходу преобразователя постоянного тока не позволяют оценить общий КПД системы. Например, сильносвязанные (нерезонансные) и слабосвязанные (резонансные) системы могут обеспечить эффективность передачи энергии свыше 90%. Однако эти данные могут ввести в заблуждение, так как высокая эффективность передачи энергии не означает, что и общий КПД системы составляет 90%.

При измерениях с нагрузкой, подключенной к выходу выпрямителя беспроводного приемника (рис. 1, выход A), также можно получить высокие значения эффективности передачи энергии в нагрузку (более 85% в сильносвязанных и 75% в слабосвязанных системах). Но и эти данные не могут рассматриваться как характеристика общего КПД системы. Более точным показателем реальной эффективности являются результаты измерений на выходе стабилизатора напряжения (рисунок 1, выход B), однако его выходное напряжение и сопротивление нагрузки необходимо выбирать с учетом имитации цикла зарядки аккумулятора (рис. 1, выход C).

Схема измерения КПД системы беспроводной зарядки

Рис. 1. Схема измерения КПД системы беспроводной зарядки

Консорциум беспроводного питания (Wireless Power Consortium, WPC), разработавший первый в мире стандарт беспроводной зарядки под названием Qi (произносится “Ци”), провел в Государственном университете штата Колорадо, США, измерение КПД двух типов беспроводных зарядных устройств: слабосвязанной системы с катушками, работающими в резонансе на частоте 6,78 МГц, и сильносвязанной нерезонансной системы с частотой коммутации 110…205 кГц. В обоих случаях использовалась типовая система зарядки аккумулятора мобильного телефона. В стабилизаторе напряжения и зарядном устройстве использовались импульсные преобразователи постоянного напряжения, в качестве которых были выбраны лучшие в своем классе устройства с КПД более 90%. Для имитации характеристик нагрузки была разработана модель аккумулятора емкостью 2100 мА * ч, описывающая процесс его заряда (рис. 2).

Графики заряда литий-ионного аккумулятора емкостью 2100 мА * ч


Рис. 2. Графики заряда литий-ионного аккумулятора емкостью 2100 мА * ч

Поскольку конструкция зарядных систем допускает установку пользователем приемной части (телефона) произвольным образом, испытания включали в себя также построение трехкоординатной пространственной карты эффективности передачи энергии. В обоих случаях приемник располагался оптимальным образом в плоскости X-Y с расстоянием между катушками 5 мм по оси Z. Измерения КПД проводились в течение типового цикла заряда аккумулятора (от 5 до 95%). Результаты исследований (рисунок 3) стали основой методики точной оценки КПД беспроводной зарядной системы.

3D-моделирование эффективности передачи энергии беспроводного зарядного устройства: а) для сильносвязанных катушек 3D-моделирование эффективности передачи энергии беспроводного зарядного устройства: б) для слабосвязанных катушек
Рис. 3. 3D-моделирование эффективности передачи энергии беспроводного зарядного устройства: а) для сильносвязанных катушек; б) для слабосвязанных катушек

По результатам испытаний было предложено, во-первых, рассчитывать КПД системы в реальных условиях эксплуатации как отношение энергии, накопленной аккумулятором, к энергии, полученной передатчиком в течение цикла заряда батареи. При питании резистивной нагрузки от беспроводного приемника можно достичь высоких показателей энергоэффективности — в некоторых случаях более 90% для низкочастотных систем. Однако результаты испытаний показывают, что общий КПД может значительно снизиться, если приемник является частью зарядного устройства аккумулятора, особенно в высокочастотных системах.

Уменьшение эффективности передачи энергии обусловлено двумя основными причинами:

  • высокочастотная система требует относительно высокого импеданса приемной антенны. Диапазон выходных напряжений приемника смещает усредненный по времени входной импеданс импульсного стабилизатора в рабочую точку, где эффективность передачи энергии значительно ниже;
  • значительные коммутационные потери в выходных транзисторах высокочастотных передатчиков.

Также было предложено представлять результаты измерения эффективности передачи энергии в виде усредненного пространственного показателя. С учетом карты распределения магнитного потока тестируемого передатчика КПД системы может значительно меняться, в зависимости от расположения заряжаемого устройства на поверхности или в пространстве. Для имитации реальных условий эксплуатации измерение КПД необходимо проводить с шагом 2 мм по всему профилю нагрузки. При использовании значений напряжения и импеданса, соответствующих модели аккумулятора, можно рассчитать общую энергию цикла заряда для любой точки пространства.

По результатам испытаний был предложен оптимальный способ расчета полной энергии в течение цикла заряда. Нагрузочная характеристика аккумулятора описывает изменение во времени напряжения на аккумуляторе VB(t) и тока заряда IB(t) в течение цикла зарядки. Энергию EB, полученную аккумулятором, можно вычислить следующим образом: в момент времени t цикла заряда приращение энергии аккумулятора равно произведению мощности P на интервал времени dt (формула 1):

formula_1-1.png (1 KB)Следовательно, энергия, поступающая в аккумулятор в течение цикла заряда, является интегралом от мощности, который, при расчете по дискретным интервалам времени, можно заменить простым суммированием (формула 2):

formula_2-1.png (2 KB)

где Δt — шаг приращения, а tn — диапазон времени в течение цикла заряда.

В приведенных расчетах Δt составляло одну минуту, а tn (время заряда) устанавливалось программно от 1 до 150 мин. Аналогичным образом можно использовать зависимость КПД от тока заряда аккумулятора η(IB) для расчета доли энергии dES, израсходованной передатчиком для приращения энергии аккумулятора на величину dEB, как функции тока заряда аккумулятора (формула 3):

formula_3-1.png (1 KB)Таким образом, КПД цикла заряда определяется по формуле 4: formula_4.png (2 KB)

Сравнение КПД различных способов беспроводной передачи энергии

Целью данного исследования является сравнение преимуществ и недостатков различных способов беспроводной зарядки. Первая из разработанных систем, сильносвязанная система Qi, была ориентирована на получение максимального КПД при минимальной стоимости. Этот вариант зарядки наиболее часто применяется в тех случаях, когда передатчик и приемник можно расположить в непосредственной близости друг от друга, например, в тумбочках со встроенным зарядным устройством, настольных зарядных панелях и станциях для зарядки телефонов в общественных местах.

Системы беспроводной зарядки с увеличенным расстоянием между приемником и передатчиком могут быть реализованы за счет некоторого снижения эффективности передачи энергии. Типичным примером таких систем являются зарядные устройства, встраиваемые в готовую мебель. Консорциум WPC предоставляет OEM-производителям полную свободу выбора наиболее подходящего для них варианта беспроводной зарядки при условии полной совместимости между устройствами, работающими по стандарту Qi.

При использовании описанной выше методики расчета эффективности в течение зарядного цикла можно построить график зависимости полной энергии от времени в течение цикла заряда аккумулятора для разных точек в зоне зарядки или в пространственной области зарядки. Как видно из графиков на рисунке 4, в течение цикла заряда аккумулятора емкостью 2100 мА * ч сильносвязанная система израсходовала на 50% меньше энергии источника питания, чем слабосвязанная система.

Энергия, накопленная аккумулятором и энергия, полученная от источника питания сильносвзанным и слабосвязанным передатчиками

Рис. 4. Энергия, накопленная аккумулятором и энергия, полученная от источника питания сильносвзанным и слабосвязанным передатчиками

Потери в слабосвязанных высокочастотных и сильносвязанных низкочастотных системах определяются различными факторами. В слабосвязанной системе высокая рабочая частота приводит к значительным коммутационным потерям в передатчике (более 800 мВт), несмотря на использование в выходном каскаде нитрид-галлиевых транзисторов и переключение их в нуле напряжения. Очевидным преимуществом слабосвязанной резонансной системы является то, что потери при передаче энергии остаются сравнительно малыми даже при смещении катушек на расстояние до 20 мм.

Другим существенным фактором потерь является проблема отбора энергии в точке максимальной мощности (MPPT). Характеристический импеданс слабосвязанной приемной антенны (примерно 24 Ом) не соответствует импедансу аккумулятора (3,5…32 Ома). Большинство систем оптимизирует точку отбора мощности для максимальной нагрузки (4,2 В, 1,2 А, 3,5 Ом), однако на полную энергию заряда влияет также продолжительный по времени заряд при малой нагрузке и, соответственно, с более высоким импедансом.

Как следует из графиков на рис. 5, сильносвязанные системы обеспечивают более высокий КПД, чем слабосвязанные.

Сравнение КПД беспроводных систем зарядки с сильносвязанными и слабосвязанными катушками

Рис. 5. Сравнение КПД беспроводных систем зарядки с сильносвязанными и слабосвязанными катушками

Основываясь на реальных данных, можно сделать вывод, что менее эффективную высокочастотную слабосвязанную систему нецелесообразно использовать в тех случаях, когда можно обойтись сильносвязанной. И наоборот, может оказаться целесообразным допустить некоторое снижение КПД для увеличения расстояния по оси Z. Поэтому спецификация беспроводного зарядного устройства, которая отвечает всем требованиям рынка, должна поддерживать как сильно-, так и слабо связанные конфигурации.

Сравнение позиций

  • ()