Структура и схемотехническое решение системы беспроводной передачи энергии для применения в мобильных РТК

Структура и схемотехническое решение системы беспроводной передачи энергии для применения в мобильных РТК

Крестовников Константин Дмитриевич
Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН), Лаборатория автономных робототехнических систем, аспирант, м.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-6303-0344

Быков Александр Норайрович
СПб ФИЦ РАН, Лаборатория автономных робототехнических систем, м.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8025-7209

Ерашов Алексей Алексееевич
СПб ФИЦ РАН, Лаборатория автономных робототехнических систем, программист, 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8003-3643


Материал поступил в редакцию 14 января 2021 года.

Аннотация
В данной работе описывается разработка беспроводной системы передачи энергии средней мощности для применения в робототехнике и иных приложениях. Представленная система может использоваться для питания устройств или заряда аккумуляторных батарей. Работа системы основана на принципе индуктивной передачи энергии. Особенностью системы является использование резонансного автогенератора, для которого передающий LC контур системы является частотозадающим. Использование идентичных приемного и передающего резонансных контуров позволяет отказаться от дополнительных систем подстройки частоты в приемной части системы. Представленное схемотехническое решение БСПЭ позволяет поддерживать работу в режиме резонанса в приемном и передающем контуре при различных взаимных положениях приемной и передающей катушек, не требуя для этого отдельную систему контроля и управления. Экспериментальная проверка предложенного решения проведена на прототипе системы с экранирующими магнитные поля корпусными элементами, при этом максимальный уровень эффективности работы системы без выходного стабилизатора в приемной части составил 80,41%, при передаваемой мощности 131,5 Вт, на расстоянии передачи 15 мм. Получены графики зависимости эффективности и передаваемой мощности для трех расстояний передачи энергии – 0 мм, 15 мм и 30 мм. При расстоянии между катушками до 30 мм, эффективность работы системы выше 70% при передаваемой мощности более 55 Вт.

Ключевые слова
Беспроводная зарядная система, беспроводная передача энергии, резонансный автогенератор, эффективность беспроводной передачи энергии.

Благодарности
Исследования выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: РФФИ 19-08-01215_А.

DOI
https://doi.org/10.31776/RTCJ.9305

Индекс УДК 
621.3.05

Библиографическое описание
Крестовников К.Д. Структура и схемотехническое решение системы беспроводной передачи энергии для применения в мобильных РТК / К.Д. Крестовников, А.Н. Быков, А.А. Ерашов // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 9. - №3. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2021. – С. 196-206. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Лофицкий И. В. Системы беспроводной зарядки аккумуляторных батарей для мобильных устройств / И. В. Лофицкий, Д. И. Юркин // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. – 2015. – С. 140-143. – Текст: непосредственный.
  2. Чернявская Л. Ф. Беспроводная зарядка электротранспорта / Л.Ф. Чернявская, Р.В. Лобанов // Механики XXI веку. – 2011. – №10. – С. 96-99. – Текст: непосредственный.
  3. Madawala U. K. A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems / U. K. Madawala, D. J. Thrimawithana // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – Vol. 58. – №. 10. – Pp. 4789-4796. DOI: 10.1109/TIE.2011.2114312 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  4. Controller synthesis of a bidirectional inductive power interface for electric vehicles. / M. J. Neath [et al.] // Proceedings 2012 IEEE Third International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). – IEEE, 2012. – Pp. 60-65. DOI: 10.1109/ICSET.2012.6357376 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  5. Thrimawithana D. J. A contactless bi-directional power interface for plug-in hybrid vehicles / D. J. Thrimawithana, U. K. Madawala // Proceedings 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. – IEEE, 2009. – Pp. 396-401. DOI: 10.1109/VPPC.2009.5289820 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  6. Formation of Modular Structures with Mobile Autonomous Reconfigurable System / N. Pavliuk [et al.] // Proceedings of 14th International Conference on Electromechanics and Robotics «Zavalishin's Readings». – Springer, Singapore, 2019. – Pp. 383-395. DOI: 10.1007/978-981-13-9267-2_31 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  7. Development of Multipurpose Mobile Platform with a Modular Structure / N. Pavliuk [et al.] // Proceedings of 14th International Conference on Electromechanics and Robotics «Zavalishin's Readings». – Springer, Singapore, 2020. – Pp. 137-147. DOI: 10.1007/978-981-13-9267-2_12 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  8. Пшихопов В. Х. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов / В. Х. Пшихопов, М. Ю. Медведев // Труды СПИИРАН. – 2018. – Т. 5. – № 60. – С. 39-63. DOI: 10.15622/sp.60.2 (дата обращения: 15.01.2021). – Текст: электронный.
  9. Бычков И. В. Двухуровневый эволюционный подход к маршрутизации группы подводных роботов в условиях периодической ротации состава / И. В. Бычков, М. Ю. Кензин, Н. Н. Максимкин // Труды СПИИРАН. – 2019. – T. 18. – № 2. С. 267-301. DOI:10.15622/sp.18.2.267-301 (дата обращения: 15.01.2021). – Текст: электронный.
  10. Rubio F. A review of mobile robots: Concepts, methods, theoretical framework, and applications / Rubio F., Valero F., Llopis-Albert C. // International Journal of Advanced Robotic Systems. – 2019. – Vol. 16. – № 2. Pp. 1-22. DOI: 10.11771/1729881419839596 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  11. Wireless Power Transfer System Design in Reactive Near-Field for Implantable Devices / T. Shaw [et al.] // 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). – IEEE, 2020. – Pp. 1-5. DOI: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135790 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  12. Широков И. Б. Система беспроводной передачи энергии / И. Б. Широков, Е. И. Широкова, А. А. Азаров // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. – 2019. – Т. 2. – №. 3. – С. 380-389. – Текст: непосредственный.
  13. Shaw T. Wireless power transfer system based on magnetic dipole coupling with high permittivity metamaterials / Shaw T., Mitra D. // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2019. – Vol. 18. – №. 9. – Pp. 1823-1827. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2930769 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  14. К вопросу о беспроводной системе передачи энергии для электромобилей / О.Т. Шатманов [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – T. 12. – №. 2. – С. 229-233. – Текст: непосредственный.
  15. Optimal design and experimental assessment of a wireless power transfer system for home-cage monitoring / J.P.W. Chow [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2019. – Vol. 34. – №. 10. – Pp. 9779-9793. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2894182 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  16. An LCC-P compensated wireless power transfer system with a constant current output and reduced receiver size / Z. Yan, Y.Zhang [et al.] // Energies. – 2019. – Т. 12. – №. 1. – P. 172. DOI: 10.3390/en12010172 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  17. Itoh J.-I. System design of electric assisted bicycle using EDLCs and wireless charger / J.-I. Itoh, K. Noguchi, K. Orikawa // Proceedings of Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA). – 2014 International. – Pp. 2277-2284. DOI: 10.1109/IPEC.2014.6869907 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  18. Experimental test on a Contactless Power Transfer system / F. Pellitteri [et al.] // Proceedings in Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER). – 2014. – Pp. 1-6. DOI: 10.1109/EVER.2014.6844092 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  19. Transmitter coils design for free-positioning omnidirectional wireless power transfer system / J. Feng, L. Qiang, F.C. Lee, M. Fu // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2019. – Vol. 15. – №. 8. – Pp. 4656-4664. DOI: 10.1109/TII.2019.2908217 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  20. Soichiro ITO. An Implementation of Wireless Power Transfer System for Multiple Receivers / Soichiro ITO, Yoshiki TSUCHIDA, Masahiro FUKUI // IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). – IEEE, 2019. – Pp. 1-4. DOI: 10.1109/ICCE.2019.8661995 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  21. Optimal design and experimental assessment of a wireless power transfer system for home-cage monitoring / Jeff Po-Wa Chow [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2019. – Vol. 34. – №. 10. – Pp. 9779-9793. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2894182 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  22. Shaw T. Wireless power transfer system based on magnetic dipole coupling with high permittivity metamaterials / T. Shaw, D. Mitra // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2019. – Vol. 18. – №. 9. – Pp. 1823-1827. DOI: 10.1109/LAWP.2019.2930769 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  23. Krestovnikov K. Concept of a synchronous rectifier for wireless power transfer system / K. Krestovnikov, E. Cherskikh, N. Pavliuk // IEEE EUROCON 18th International Conference on Smart Technologies. – 2019. DOI:10.1109/eurocon.2019.8861856 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  24. Krestovnikov K. Approach to choosing of optimal number of turns in planar spiral coils for systems of wireless energy transfer / K. Krestovnikov, E. Cherskikh, A. Bykov // Elektronika ir Elektrotechnika, in press. – Text: unmediated.
  25. Abdolkhani A. Improved autonomous current-fed push–pull resonant inverter / A. Abdolkhani, A. P. Hu // IET Power Electronics. – 2014. – Vol. 7. – № 8. – Pp. 2103-2110. DOI:10.1049/iet-pel.2013.0749 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  26. Hu A. P. A low cost portable car heater based on a novel current-fed push-pull inverter / A. P. Hu, P. Si // In Australasian Universities Power Engineering Conference. – 2004. – Text: unmediated.
  27. Abramovitz A. A novel self-oscillating synchronously-rectified dc-dc converter / A. Abramovitz, Ben Yaakov S. // In PESC '91 Record 22nd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. – 1991. – Vol. 91. – Pp. 163-170. DOI: 10.1109/PESC.1991.162670 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  28. Vatamaniuk I. V. Algorithmic model of a distributed corporate notification system in context of a corporate cyber-physical system / I. V. Vatamaniuk, R. N. Yakovlev // Modeling, optimization and information technology. – 2019. – Vol. 7. – № 4. Pp. 386-391. DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.026 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
  29. Vatamaniuk I. V. Generalized Theoretical Models of Cyberphysical Systems / I. V. Vatamaniuk, R. N. Yakovlev // Proceedings of the Southwest State University. – 2019. – Vol. 23. – № 6. Pp. 161-175. DOI: 10.1109/IS48319.2020.9200171 (accessed: 15.01.2021). – Text: electronic.
Адрес редакции:  Россия, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21   Тел.: +7(812) 552-13-25 e-mail: zheleznyakov@rtc.ru 
fb1    vk1