Bateria bezstykowa | Pracownia bezprzewodowych sieci kontrolno-pomiarowych

Bateria bezstykowa

Error message

  • Deprecated function: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in _menu_load_objects() (line 579 of /home/kegrp/wsn/public_html/includes/menu.inc).
  • Deprecated function: implode(): Passing glue string after array is deprecated. Swap the parameters in drupal_get_feeds() (line 394 of /home/kegrp/wsn/public_html/includes/common.inc).

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.

Prototyp urządzenia
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).
Cewki odpowiedzialne za przekaz energii (szczelina 10mm)
Rys. 2. Cewki odpowiedzialne za przekaz energii (szczelina 10mm)
 
Schemat układu bezprzewodowego przekazu energii
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.

Schemat blokowy baterii bezstykowej

Rys. 4. Schemat blokowy baterii bezstykowej

Schemat blokowy odbiornika energii

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.
Schemat blokowy ładowarki

Rys. 6. Schemat blokowy ładowarki bezstykowej

Poniżej przedstawiono zdjęcia wykonanego i w pełni funkcjonalnego modelu demonstracyjnego.

Zestaw demonstracyjny baterii bezstykowej

Zestaw demonstracyjny baterii bezstykowej

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