Как работает беспроводная передача энергии

Беспроводная передача энергии — это способ передачи электроэнергии с использованием переменных электромагнитных полей. БПЭ применяют для зарядки аккумуляторов любых автономных устройств — физическое соединение с источниками питания для этого не требуется. Она подходит как для носимой электроники (смартфонов, наушников, ноутбуков, умных очков, зубных щеток), так и для устройств с электроприводом (электромобилей, электробусов, скутеров, самокатов, роботов для производства). В отличие от проводной передачи энергии, такой способ более эргономичный: не нужно использовать провода и менять батарейки, можно заряжать несколько устройств одновременно.

«Современная беспроводная зарядка смартфона пока не совсем такая, какой бы ее хотели видеть потребители. Почему мы называем ее беспроводной, если располагаем смартфон точно над зарядной станцией, питающейся от розетки? Инженер бы сказал: потому, что в ней нет физического контакта между передающим и приемным элементами, а зазор между ними составляет 1–2 мм. Это технология беспроводного заряда первого поколения, но БПЭ будет развиваться и дальше», — подчеркнул Санджей Гупта, президент компании по разработке технологий беспроводной зарядки AirFuel Alliance.

Технология БПЭ второго поколения предполагает, что беспроводная зарядка будет похожа на Wi-Fi: к одной точке доступа можно подсоединить 10–20 устройств и подзаряжать их аккумуляторы на дальнем расстоянии.

«Представьте, как преобразятся наши дома, насколько быстро технология с такими свойствами станет привычной и востребованной в быту: пользователям систем “умный дом” больше не придется подстраиваться под существующее размещение розеток, проводов и блоков питания станет меньше. В то же время, промышленность получит новое поколение роботизированной и тяговой техники, питающейся беспроводным методом», — сообщает Иван Яковлев, руководитель направления IoT/IIoT в департаменте управления технологиями ПАО МТС.

Сейчас передавать энергию беспроводным путем можно несколькими способами.

Индуктивный метод БПЭ позволяет передавать мощность на короткое расстояние с высокой эффективностью, но при небольшом смещении приемника эффективность зарядки резко падает. На основе этого метода сейчас реализована беспроводная зарядка зубных щеток и смартфонов.

Магнитно-резонансный метод работает для средних расстояний и позволяет передавать сравнительно высокую мощность, но при увеличении расстояния эффективность передачи энергии снижается. Технология уже позволяет создавать поверхности для одновременной зарядки нескольких устройств с разной потребляемой мощностью: монитора, мыши, лампы, телефона, ноутбука и других.

Метод дальнего поля использует распространяющиеся электромагнитные волны и позволяет передавать энергию на расстоянии нескольких метров. С помощью этого подхода уже заряжают аккумуляторы датчиков «умного» дома и устройств интернета вещей, расположенные на расстоянии 3–5 метров от передатчика. Такие устройства имеют низкий уровень энергопотребления, поэтому для их зарядки хватает мощности 1 Вт, излучаемой передатчиком. Но заряжать устройства с более высоким энергопотреблением пока трудно — повышение излучаемой мощности увеличивает плотность потока энергии в пространстве и может навредить здоровью человека.

Какие вызовы стоят перед разработчиками

Стандарты. В ближайшее время технологии БПЭ будут активно внедряться не только для зарядки смартфонов и мелкой носимой электроники, но и для автономных складских роботов, электромобилей, электробусов. Чтобы они работали эффективно, важно разработать стандарты БПЭ.

«Чтобы беспроводную передачу энергии поддерживали электромобили различных производителей, приемник и передатчик на борту электромобилей должны “говорить” на одном языке. Другими словами, нужно регламентировать процесс беспроводной зарядки аккумуляторов, обозначив рабочую частоту, уровень передаваемой мощности, протоколы коммуникации и требования к безопасности таких систем для человека. Перед нами стоит задача разработки серии стандартов для различных классов устройств», — рассказала  Алёна Рыбушкина, исполнительный директор АНО «Центр “Энерджинет”».

Разработкой таких стандартов, а также сертификацией новых решений для беспроводной зарядки и обучением людей в этой сфере занимается международная коалиция инновационных компаний AirFuel Alliance. ИТМО выступает частью этого сообщества, имеет доступ к существующим стандартам и в будущем планирует включиться в работу по созданию новых.

Исследования безопасности. Технологии БПЭ используют изменяющиеся во времени магнитные или электромагнитные поля, высокая интенсивность которых может нагревать ткани человеческого организма и приводить к серьезным заболеваниям. Поэтому для массового внедрения БПЭ важно исследовать, как электромагнитные или магнитные поля определенной частоты и интенсивности влияют на здоровье человека.

БПЭ в России

По данным консалтинговой компании «Директ ИНФО», рынок беспроводной передачи энергии в России будет расти и к 2033 году его объем достигнет 19,2 млрд рублей: из них 44% придется на направление «умный дом», а 35% — на «умный ритейл». По словам ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Полины Капитановой, к 2030 году в России будет 200–300 тысяч электромобилей, для зарядки которых нужно развивать инфраструктуру, в частности, беспроводную зарядку.

Сегодня для разработки систем БПЭ на основе метода дальнего поля в России нужны микроконтроллеры со сверхнизким энергопотреблением, которые могли бы эффективно управлять компонентами системы. Эти устройства обеспечат беспроводную зарядку датчиков «умного» дома и интернета вещей. Для разработки высокомощных решений по беспроводной зарядке — например, электромобилей, нужны эффективные GaN транзисторы, технология производства которых в России активно развивается.

Беспроводная зарядка в ИТМО

Уже сегодня беспроводным методом можно подзаряжать смартфоны и мелкую носимую электронику, успешно проходят первые пилотные проекты по беспроводной зарядке электромобилей и электробусов.

Технологии беспроводной передачи энергии развивают и в ИТМО. В 2023 году ученые Нового физтеха совместно с компанией по производству зарядных станций для электротранспорта «Яблочков» представили первую в России беспроводную зарядку для электротранспорта.

Также в ИТМО в 2022 году разработали новое поколение беспроводных зарядок — бокс с равномерно распределенным в объеме магнитным полем. Внутри бокса с размерами 50*50*30 см3 можно заряжать одновременно больше трех устройств. Изобретение — часть проекта по созданию целой беспроводной WPT-комнаты. Помещение для беспроводной зарядки будет безопасно для человека — с его помощью в любом месте комнаты удастся зарядить смартфон, ноутбук, VR-гарнитуру, бьюти-гаджеты и другие электронные устройства.

«На круглом столе мы выяснили, что беспроводная передача энергии — важная и перспективная технология для российского рынка. Сейчас ИТМО ищет возможности провести пилотный проект в области беспроводной зарядки для электротранспорта и беспилотных летательных аппаратов. Также мы заинтересованы в разработке российских стандартов для беспроводной передачи энергии», — заключила Полина Капитанова.