W trudnych warunkach środowiskowych klasyczne połączenie pomiędzy wymienną baterią a zasilanym z niej urządzeniem jest przyczyną wielu awarii i przestojów. Problemem jest zarówno wpływ otoczenia na styk (zabrudzenia i korozja zwiększające rezystancję, obecność przewodzących płynów zwierających elektrody baterii, wibracje styku powodujące mikroprzerwy w zasilaniu), wpływ styku na otoczenie (iskrzenie podczas podłączania, rozłączania lub wibracji) jak i sama mechaniczna konstrukcja złącza (ścieranie, wytrzymałość połączenia na siły zewnętrzne, degradacja złącza przy wielokrotnym użyciu). Utrudnia to wygodne wykorzystywanie baterii w trudnych warunkach terenowych, w obecności wody, jak również w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (kopalnie, rafinerie, itp.). Jakość styku ogranicza również czas bezawaryjnego funkcjonowania urządzenia. Na przeciw tym problemom wychodzi idea baterii bezstykowej, opracowanej i opatentowanej w naszym zespole.
Bateria bezstykowa to urządzenie wykorzystujące metodę wydajnego, bezprzewodowego przekazu energii na niewielkie odległości. Co ważne, przekaz ten może zachodzić w obu kierunkach, co umożliwia nie tylko pobieranie energii z baterii, ale również jej bezstykowe ładowanie. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie trzeba transportować rozładowanej baterii poza strefę jej pracy, co może być szczególnie korzystne w trudnych środowiskach, takich jak np. kopalnia.
 Rys. 1. Prototyp urządzenia o mocy 32W, przerwa izolacyjna 10mm, częstotliwość pracy 48 ? 65kHz, Uwe = 12V, obciążenie Rload = 30Ohm, sprawność powyżej 70% (liczona od źródła do obciążenia).
|
 Rys. 2. Cewki odpowiedzialne za przekaz energii (szczelina 10mm)
|
 Rys. 3. Schemat układu bezprzewodowego przekazu energii [1]
|
Sposób bezprzewodowego przesyłania energii opiera się na wykorzystaniu rezonansowego sprzężenia dwóch cewek, odległych od siebie od 2 do 15mm. Na rysunkach 1,2 i 3 przedstawiono zbudowany prototyp układu bezstykowego przekazu energii o mocy maksymalnej 32W, z przerwą izolacyjną równą 10mm i zakresem częstotliwości pracy od 48 do 65kHz przy Uwe = 12V oraz rezystancją obciążenia równą Rload = 30 Ohm. Uzystkano przy tym sprawność powyżej 70% i była ona liczona jako stosunek mocy na obciążeniu (po prostowniku) do mocy źródła zasilana. |
Ze względu na dwukierunkowy sposób działania, pełny zestaw urządzeń umożliwiających wykorzystywanie bezstykowego przekazu energii składa się z modułu baterii, odbiornika i ładowarki. (rys. 4,5,6) Każdy z modułów zawiera układ łączności radiowej bliskiego zasięgu, który umożliwia wymianę informacji o stanie urządzeń, oraz czujnik, wykrywający obecność kompatybilnego modułu. Za koordynację pracy modułów i poszczególnych ich części odpowiadają niskomocowe mikrokontrolery.
| Podstawowym elementem bateryjnego układu zasilania z systemem dwukierunkowego bezprzewodowego przesyłu energii przystosowanego do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem jest bateria bezstykowa. Zawiera ona ogniwa litowo-jonowe, układy zabezpieczeń oraz ładowania i rozładowania umożliwiające wykorzystywanie jej w środowisku kopalnianym. Mikrokontroler zarządza całą baterią i ma możliwość dwukierunkowej łączności poprzez moduł radiowy z urządzeniami zewnętrznymi. Dzięki temu możliwa jest rejestracja historii działania baterii i określania jej stanu aktualnego. Czujnik z układem wykrywania odbiornika i ładowarki pozwoli na uruchamianie układu konwersji mocy (tzn. sterownika, przekształtnika DC-AC i indukcyjnego układu przekazu energii) tylko w momentach, kiedy jest to konieczne. W momencie wykrycia ładowarki procesor automatycznie przejdzie w tryb nadzoru i kontroli ogniwa litowo-jonowego. |
Rys. 4. Schemat blokowy baterii bezstykowej |
 Rys. 5. Schemat blokowy odbiornika bezstykowego |
Układ odbiornika energii baterii bezstykowej współpracuje z baterią bezstykową i jest elementem odpowiedzialnym za dostarczenia do odbiornika iskrobezpiecznych napięć i prądów na wymaganym poziomie. Po wykryciu przez baterię bezstykową obecności odbiornika energii następuje ładowanie, jeśli to konieczne, układu podtrzymania baterii i nawiązanie łączności poprzez bliskozasięgowe moduły radiowe. Na podstawie otrzymywanych komunikatów, bateria bezstykowa dostarcza do odbiornika energię na odpowiednim poziomie. |
| Ładowarka bezstykowa może zostać wykonana w dwóch wersjach: przystosowana do pracy na powierzchni (np. lampiarnia zakładu górniczego) oraz przystosowana do pracy w strefach zagrożonych wybuchem (np. cecha M2). Układy w niej zaimplementowane pozwalają na podgląd i rejestrację stanu ogniw i baterii, umożliwiają przy tym zarówno przeprowadzenie procesu ładowania, rozładowania baterii jak i wymiany oprogramowania poprzez dwukierunkowy układ łączności radiowej. |
 Rys. 6. Schemat blokowy ładowarki bezstykowej |
Poniżej przedstawiono zdjęcia wykonanego i w pełni funkcjonalnego modelu demonstracyjnego.
Prace nad rozwojem technologii baterii bezstykowej są współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach projektu: WND-POIG.01.03.02-12-009/10 ?Ochrona patentowa zintegrowanego modułu reaktancyjnego dedykowanego do bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej?.
Odnośniki.
1. Patent, wynalazca Cezary Worek. Sposób bezkontaktowego transferu energii elektrycznej i układ bezkontaktowego transferu energii elektrycznej. Numer prawa wyłącznego PL 214172 B1. Zgłosz. 2007-03-14 ; Udzielony 2012-12-18.
2. Patent, wynalazcy: Worek Cezary, Maślanka Robert. Zintegrowany moduł reaktancyjny. Numer prawa wyłącznego PL 215083 Zgłosz. 2009-12-14 ; Udzielony 2013-06-20.
3. Patent, wynalazcy: Worek Cezary, Maślanka Robert. Integrated reactance module. Opis zgłoszeniowy wynalazku WO2011/073156 A1. Zgłosz. nr PCT/PL 2010/069552 z dn. 2010-12-13 ; Opubl. 2011-06-23. Patent udzielony EP 2513923 B1
English
Polski