Май 2020: долой провода!

Побочным результатом карантинных мер весной 2020 г. по всему миру стало некоторое улучшение экологии. Это породило популярный мем «природа настолько очистилась, что...», далее следует рассказ об очередном лесном звере, посетившем тот или иной мегаполис. Если же говорить об энергетике, то борьба с коронавирусом стала импульсом для начала процесса «очистки» ее от проводов.

Во время пандемии все чаще стали использоваться беспилотные летающие аппараты. Например, с их помощью обнаруживали крупные скопления людей, представляющие опасность с точки зрения распространения инфекции. Идея транспортировки небольших грузов без участия человека с помощью квадрокоптеров наконец-таки обрела практическую реализацию. Для беспилотных летающих аппаратов беспроводная зарядка предпочтительнее обычной.

Беспроводная зарядка электромобиля не только удобна, но еще и более безопасна по нынешним временам. Не нужно браться руками за разъемы и кабели, побывавшие в руках других клиентов. Также нет необходимости толпиться около стоек с разъемами — для зарядки машины достаточно заехать на определенное место автостоянки, нарисованное краской на асфальте. Можно вообще не выходить из автомобиля — процесс запускается беспроводным образом через Wi-Fi.

Уже давно известны беспроводные зарядки для смартфонов, но их мощность не превышает 25 Вт. Для более «тяжелой» техники нужны более мощные зарядные станции, и тут возникает множество технических проблем, требующих решения. Пандемия заставила их решать в ускоренном порядке. Не удивительно, что большая часть новостей отрасли в мае 2020 г. была связана именно с передачей электроэнергии без проводов.

Какой американец не любит быстрой зарядки?

До недавнего времени беспроводные зарядные станции для электромобилей и электробусов в несколько раз уступали по мощности проводным собратьям. Соответственно, зарядка происходила намного медленнее.

Но в мае в американском городе Сент-Питерсберг (штат Флорида) была запущена в коммерческую эксплуатацию беспроводная зарядная станция для электробусов производства компании A&K Energy Conservation мощностью 250 кВт. Для сравнения, примерно такую мощность в имеют наиболее быстродействующие проводные зарядные станции для электробусов.

Дальнейшее увеличение мощности сдерживается параметрами используемых сейчас аккумуляторов. Таким образом, создание беспроводной зарядной станции мощностью 250 кВт означает, что проводные и беспроводные способы зарядки транспортных средств на аккумуляторах уже практически не отличаются по скорости. Время зарядки электробуса на такой станции составляет 10 мин. При этом аккумулятор заряжается не полностью, но энергии вполне хватает на совершения как минимум одного рейса по городу.

Дальность поездки после 10-минутной зарядки не сообщается, но по косвенным признакам, ее можно оценить в 30-50 км.

Зарядка в движении

Другой проблемой был относительно низкий КПД беспроводной передачи электроэнергии. Первые такие зарядные станции были способны передать по воздуху только 60 % электроэнергии, к началу 2020 г. наибольшее значение КПД достигло 87,5 %. В мае австралийская компания Lumen Group представила беспроводную зарядную станцию Lumen Freedom. При мощности до 22 кВт ее КПД составляет 92 %. Высокий коэффициент полезного действия обусловлен применением резонансной системы для передачи энергии от станции к электромобилю.

Важной инновацией, реализованной в Lumen Freedom, стала возможность зарядки электромобиля в движении. Площадкой для зарядки становится участок автомобильной дороги, по которому проезжает электромобиль. Естественно, придется значительно сбавить скорость, тем не менее, это удобнее, чем заезжать на отдельную заправку.

Электромагнитная совместимость

Серьезной проблемой, связанной с внедрением беспроводной зарядки электромобилей является нормирование спектра электромагнитного излучения. Передатчики таких станций работают обычно на частоте 85 кГц. Частоты гармоник при этом достигают 30 МГц, т. е. охватывают длинноволновый, средневолновый и коротковолновый диапазоны. И, если радиовещание в указанных диапазонах постепенно уходит в прошлое, то служебная связь на коротких волнах еще существует. Возможные помехи коротковолновой радиосвязи — проблема государственного уровня. Кроме этого, свою озабоченность насчет помех от зарядных станций официально высказал Международный союз радиолюбителей (IARU).

Исходя из всего этого, Международная электротехническая комиссия (IEC) начала в мае 2020 г. работы по разработке норм, определяющих электромагнитную совместимость беспроводных зарядных станций для электромобилей. Как ожидается, соответствующие стандарты будут приняты в 2021 — 2023 г.г.

NFC как основа «беспроводной розетки»

Пандемия коронавируса превратила технологию бесконтактной передачи информации NFC из интересной технологической новинки в стандарт де-факто для оплаты товаров и услуг. Далее NFC стал развиваться по дорожке, уже протоптанной стандартами USB и Ethernet, а, именно, трансформировался в направлении от передачи данных к питанию разнообразных устройств.

Когда вы расплачиваетесь картой, поддерживающей технологию NFC, то картридер передает беспроводным образом электроэнергию, от которой питается чип, встроенный в карту. В мае 2020 г. организация NFC Forum, осуществляющая регулирование стандарта NFC, приняла новый стандарт, позволяющий использовать NFC для передачи электроэнергии беспроводным способом для зарядки разнообразных электронных устройств. Правда, мощность ограничена значением 1 Вт.

Для того, чтобы вы поняли, много это или мало, сообщим, что такой мощности хватит разве что для зарядки аккумуляторов беспроводных наушников. Для нормальной зарядки обычного мобильного телефона (даже не смартфона) нужна мощность не менее 2,5 Вт.

По мнению автора обзора, подзарядка через NFC может быть востребована в медицине для зарядки встроенных аккумуляторов носимых датчиков, поскольку данный стандарт использует частоту 13,56 МГц. Эта частота уже давно применяется в медицине для радиочастотной идентификации оборудования, поэтому точные измерительные приборы сконструированы таким образом, чтобы излучение данного диапазона на них не влияло. Таким образом, не придется решать проблему электромагнитной совместимости.

Помимо самостоятельного использования NFC для передачи энергии, комбинация NFC и индукционных беспроводных систем может привести к созданию того самого беспроводного аналога обычной розетки, о которой так долго мечтали писатели-фантасты. Немецкая компания Würth Elektronik в мае 2020 г. представила комбинированное решение, включающее в себя катушку для беспроводной передачи электроэнергии мощностью до 100 Вт и антенну стандарта NFC для передачи данных на скорости до 848 кбит/с.

Такой скорости, конечно, недостаточно для современного Интернета, тем не менее, беспроводная «розетка» благодаря поддержке NFC может идентифицировать подключаемое устройство (при наличии в нем соответствующего чипа, естественно).

Это позволяет осуществлять учет электроэнергии для отдельных потребителей в публичных местах (например, коворкингах), а также подстраивать параметры беспроводной «розетки» под особенности конкретного прибора.

И о прекрасном

Модельеры всего мира вот уже более десяти лет грезят перспективами интеграции светодиодов в одежду. Потом заговорили об интеграции в текстиль и других электронных чипов, делающих одежду «умной». Наряды выглядели эффектно, обладали полезными функциями, но, к сожалению, не предназначались для стирки, а другие способы очистки (химчистка, обработка паром) могли применяться к ней ограниченно. С этим мирились до тех пор, пока не грянула пандемия коронавируса. Специалисты по электронике вместе с модельерами решили — «умной» одежде быть, но такой, чтобы без проблем очищалась в любой стиральной машине.

Чтобы «умная» одежда была пригодна для стирки такими же методами, что и обычная, вся встроенная в нее электроника должна быть надежно герметизирована. Заряжать электронную «начинку» в таком случае можно только беспроводным способом. Также придется пожертвовать емкостью встроенного аккумулятора, то есть чаще производить подзарядку. И здесь беспроводные технологии тоже полезны — подзарядка аккумулятора больше не является сложной и утомительной процедурой.

В мае американские компании Powercast Corporation (беспроводные технологии передачи электроэнергии) и Liquid X (нанесение токопроводящих дорожек на разнообразные поверхности) создали совместное предприятие по производству «умного» текстиля, пригодного для стирки.

Главная инновация — нанесение на обычную ткань специальной несмываемой токопроводящей краски, тем самым формируется антенна для получения электроэнергии беспроводным образом.

Помимо одежды для повседневной носки, создатели «умного» текстиля с беспроводной зарядкой хотя использовать свое изобретение в медицине. Для постоянного контроля за состоянием пациента ему больше не придется одевать на себя разнообразные датчики, создающие дискомфорт (который, в свою очередь, косвенно влияет на точность измерений). Достаточно будет одеть обычный с виду больничный халат или вообще привычную одежду вроде куртки или толстовки, если мониторинг ведется за пределами медицинского учреждения.

Наконец, «умный» текстиль окажется полезным любителям спорта. В отличие от «умных» браслетов одежда с электронной «начинкой» способна собирать больше информации. Не нужно менять позы во время выполнения упражнения для того, чтобы посмотреть на дисплей — все и так видно на одежде.

Выводы

Предлагаемые сейчас технологии передачи электроэнергии позволяют избежать физического контакта между зарядной станцией и заряжаемым устройством. Тем не менее, расстояние между ними все равно должно быть не более 20 см, а в случае с NFC и того меньше. Инновации, в большом количестве представленные в мае, решают в основном частные задачи, которые поставила перед электротехнической отраслью пандемия. Но о передаче электроэнергии большой мощности на тысячи километров без проводов, над чем когда-то работал еще Никола Тесла, пока речи не идет. Тем не менее, и в своем нынешнем виде технологии беспроводной передачи электроэнергии способны сделать нашу жизнь более удобной.

Источник: Алексей Васильев