Мобильные устройства, такие как смартфоны и ноутбуки, стали незаменимыми портативными устройствами в современной жизни, но для полноценного использования этих устройств остается одна большая проблема: держать их аккумуляторы заряженными.
Группа исследователей из KAIST разработала технологию беспроводной передачи энергии (WPT), которая позволяет заряжать мобильные устройства в любом месте и в любом направлении, даже если устройства находятся вдали от источника питания, как и Wi-Fi работает для подключения к Интернету. С помощью этой технологии, пока мобильные пользователи остаются в специально отведенном месте, где доступна зарядка, например, в зоне Wi-Power, устройство, не привязанное к зарядному устройству, будет автоматически получать питание по мере необходимости.
Исследовательская группа под руководством профессора Чуна Т. Рима из отдела ядерной и квантовой инженерии KAIST добилась больших успехов в разработке WPT. Их система WPT способна заряжать несколько мобильных устройств одновременно и с беспрецедентной свободой в любом направлении, даже удерживая устройства в воздухе или на расстоянии полуметра от источника питания, которым является передатчик. Результаты исследования были опубликованы в июньском выпуске журнала IEEE Transactions on Power Electronics за 2015 г. под названием «Шесть степеней свободы для мобильной индуктивной передачи энергии с помощью скрещенных дипольных катушек Tx (передатчик) и Rx (приемник)».
Команда профессора Рима успешно продемонстрировала технологию 7 июля 2015 года в лаборатории в кампусе KAIST. Они использовали высокочастотные магнитные материалы в структуре дипольной катушки для создания тонкой плоской системы передатчика (Tx) в форме прямоугольника размером 1 м2. Либо 30 смартфонов мощностью один ватт каждый, либо 5 ноутбуков мощностью 2,4 Вт каждый могут заряжаться одновременно и без проводов на расстоянии 50 см от передатчика с шестью степенями свободы, независимо от положения и направления устройств по трем осям. Это означает, что устройство может получать энергию вокруг передатчика в трехмерном пространстве. Максимальная эффективность передачи энергии для ноутбуков составила 34%. Исследователи заявили, что изготовление плоских катушек Tx и Rx с характеристикой шести степеней свободы было узким местом WPT для мобильных приложений.
Резонансная система с дипольной катушкой (DCRS)
Исследовательская группа использовала систему резонанса дипольной катушки (DCRS) для создания магнитных полей, которая была разработана командой в 2014 году для индуктивной передачи энергии на большие расстояния. DCRS состоит из двух (передающей и приемной) катушек магнитного диполя, расположенных параллельно, причем каждая катушка имеет ферритовый сердечник и соединена с резонансным конденсатором. По сравнению с обычной петлевой катушкой дипольная катушка очень компактна и имеет меньшие размеры. Следовательно, скрещенная дипольная структура имеет 2-мерное, а не 3-мерное измерение структуры катушки со скрещенными петлями. DCRS имеет большое преимущество для передачи мощности даже при изменении резонансной частоты в диапазоне 1% (добротность ниже 100). Ферритовые сердечники оптимально спроектированы для уменьшения объема сердечника вдвое, а их способность передавать энергию практически не зависит от человеческого тела или окружающих металлических предметов, что делает DCRS идеальным для беспроводной передачи энергии в чрезвычайных ситуациях. В тесте, проведенном в 2014 году, профессору Риму удалось передать 209 Вт мощности по беспроводной сети на расстояние до пяти метров.
Большая гибкость и безопасная зарядка
Исследовательская группа переставила две дипольные катушки из параллельного положения, чтобы они пересекались, чтобы генерировать вращающиеся магнитные поля, которые были встроены в плоскую платформу Tx. Это позволило мобильным устройствам получать питание с любого направления.
Несмотря на то, что технология беспроводного питания уже применяется в смартфонах, она не может предложить каких-либо существенных преимуществ по сравнению с традиционной проводной зарядкой, поскольку устройства по-прежнему требуют тесного контакта с передатчиком, зарядной панелью. Для свободного и безопасного использования устройств, в том числе в общественных местах, технология WPT должна предоставлять мобильным пользователям шесть степеней свободы на расстоянии. До сих пор все технологии беспроводной зарядки сталкивались с проблемой короткого расстояния зарядки, в основном менее 10 см, а также условий зарядки, при которых устройства должны быть размещены в фиксированном положении. Например, Galaxy S6 можно было заряжать без проводов только в фиксированном положении, имея одну степень свободы. Степень свободы представляет собой свободу передвижения мобильных устройств в трехмерном пространстве.
Кроме того, DCRS работает в условиях слабого магнитного поля. На основе технологии экранирования магнитного потока, разработанной исследовательской группой, уровень магнитного потока ниже уровня безопасности, установленного Международной комиссией по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) (27 мкТл) для воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на население..
Профессор Рим сказал: «Наша система передатчика безопасна для человека и совместима с другими электронными устройствами. Мы решили три основные проблемы: короткое расстояние зарядки, зависимость от направления зарядки и плоские структуры катушек как Tx, так и Rx., которые заблокировали коммерциализацию WPT."
В настоящее время исследовательская группа и дочерняя компания KAIST, TESLAS, Inc., проводят пилотные проекты по применению DCRS в различных местах, таких как кафе и офисы.
Видео: