Pod bežičnim punjenjem baterija podrazumeva se prenos električne energije bez provodnika. Bežični prenos energije je tehnologija koja se najčešće koristi za punjenje baterija različitih uređaja, kao što su telefoni, tablet računari itd. Ovakav vid prenosa energije je koristan u slučajevima gde su kablovi za napajanje problematični, opasni ili ih je nemoguće koristiti iz nekog drugog razloga.
Problemi sa bežičnim prenosom energije su malo drugačiji nego problemi koji se javljaju kod bežičnih telekomunikacija, kao što je radio komunikacija gde koristan signal male snage mora biti pronađen u “moru” električnih šumova. Kod bežičnog prenosa energije mora se obezbediti visoka efikasnost prenosa, fleksibilnost prilikom postavljanja prijemnika (tj. uređaja koji se puni) u odnosu na predajnik (odnosno punjač). Slika 1 predstavlja primer upotrebe bežičnog punjača.
Slika 1. Bežično punjenje mobilnih uređajaMetodi prenosa električne energije
Kada električna struja prođe kroz provodnik, u dielektriku koji okružuje provodnik, javi se električno polje. Protok energije sadrži tri glavne komponente:
- Magnetno polje, koncentricno sa provodnikom,
- Električno polje, upravno na površinu provodnika i
- Gradijent snage, paralelan sa provodnikom.
Na osnovu prostorne raspodele energije, postoji četiri metoda za prenos električne energije ka potrošaču:
- Kapacitivno sprezanje. Prenos energije preko kapacitivnog sprezanja dve paralelne elektrode postavljene u relativno ravnim ravnima.
- Elektromagnetna indukcija. Prenos energije preko struje indukovane u magnetnom polju dva kalema, koji se nalaze blizu jedan drugom.
- Magnetna rezonancija. Prenos energije kroz prostor vrši se korišćenjem fenomena magnetne rezonancije, zasnovanog na istom principu kao i elektromagnetna indukcija. Rezonancija nastaje između dva namotaja kada elektromagnetno polje oko njih osciluje istom frekvencijom. Kada su dva namotaja u rezonanciji, električna energija se prenosi između njih.
- Radio talasi. Prenos energije preko radio talasa koje prima antena. Koriste se mikrotalasi generisani pomoću zemaljskih predajnika koji se zatim preuzimaju pomoću antene koja pretvara mikrotalase direktno u struju.
U nastavku ćemo se detaljnije upoznati sa principima prenosa energije kroz kapacitivno sprezanje i pomoću elektromagnetne indukcije, pošto se ova dva metoda najčešće koriste kod uređaja koji se trenutno nalaze na tržištu.
Kapacitivni metod
Prenos energije kapacitivnim metodom je alternativni pristup prenosu energije preko magnetnog polja. Dovođenjem uređaja u poziciju u kojoj se formira kondenzator između njega i punjača može se iskoristiti za prenos energije. Ovaj koncept, koji koristi kvazi-statičko električno polje za transfer energije kroz kondenzator, formiran pomoću elektroda koje pripadaju fizički odvojenim uređajima, usvojen je u komapniji Murata Electronic Europe i danas se veoma često koristi.
Pošto postoji širok spektar baterija koje se koriste u prenosivim uređajima, standardizacija interfejsa baterija bi bio veliki iskorak ka jednostavnom dizajnu i zadovoljavanju potrebe za za što bržim punjenjem.
Jedna od glavnih prednosti korišćenja ovakvog vida prenosa energije, u odnosu na induktivni metod, je činjenica da je postavljanje i pozicioniranje uređaja, koji se puni, u odnosu na punjač, mnogo manje kritično. Visoka efikasnost prilikom prenosa energije (oko 80% za bilo koji dizajn uređaja), ostvarena je zahvaljujući velikim tolerancijama u XY pozicioniranju (na površini), dok se Z parametar (visina) određuje dizajnom uređaja. Još jedna prednost je dizajn elektroda. Pošto je glavna aktivna elektroda tanak bakarni film (debljine svega nekoliko mikrona), ugrađen u plastiku, mnogo je lakše integrisati ga u kućište uređaja (kao što je mobilni telefon), nego kalem koji se koristi u slučaju prenosa energije elektromagnetnom indukcijom. Takođe, treba napomenuti da se kod kapacitivnog metoda ne javlja problem zagrevanja i potreba za odvođenjem toplote u zoni sprege, jer pri prenosu energije preko električnog polja ne dolzai do protoka većih struja.
Metod prenosa energije pomoću elektromagnetne indukcije
Induktivni metod prenosa energije se već koristi u brojnim uređajima (kao što je električna četkica za zube), a bazira se na Maksvelovoj teoriji: promene u magnetnom polju kalema indukuju struju u kalemu, koji je u sprezi sa njim.
Primarni problemi kod ovog vida prenosa energije su obezbeđivanje visoke efikasnosti pri prenosu energije i ostvarivanje velike fleksibilnosti prilikom pozicioniranja kalema koji se sprežu, bez potrebe za striktnom orijentacijom kalema (svaka mala greška u orijentaciji kalema može dovesti do gubljenja mogućnosti za prenos energije). Problem koji se takođe javlja pri ovakvom prenosu energije je i činjenica da će se oko uređaja generisati elektromagnetne smetnje koje mogu uticati na druge bežične komunikacije, kao što su WiFi, Bluetooth, FM, GSM itd.
Kod punjača većih snaga, zasnovanih na principu elektromagnetne indukcije, rastu toplotni gubici. To naročito predstavlja problem Li-Ion baterijama koje su ekstremno osetljive na povišenu temperaturu. Neželjeni termalni stresovi mogu uticati na elektronske komponente koje su veoma kompaktne.
Kompanija Texas Instruments u svojoj ponudi ima napredna integrisana kola za predajnike i prijemnike, alate za dizajn kao i resurse koji mogu pomoći prilikom dizajna uređaja koji koriste induktivno bežično punjenje. Više o tome možete pronaći ovde.
