Nghiên cứu công nghệ truyền năng lượng không dây ứng dụng cho bộ sạc pin lithium – pin ắc quy

Ngày nay, nghiên cứu về công nghệ truyền tải điện không dây là vấn đề quan trọng để phát triển hệ thống điện trong tương lai. Việc này sẽ giảm thiểu được chi phí trong thiết kế, thi công các công trình về điện dân dụng và công nghiệp. Từ đó, quá trình sử dụng điện sẽ tiện lợi hơn, hệ thống điện không phải đấu nối dây dẫn phức tạp khi số lượng thiết bị điện tăng lên. Đối với các ứng dụng tầm ngắn hiện đại, truyền tải điện cảm ứng (IPT) hệ thống và hệ thống sạc không dây cho thiết bị cầm tay các thiết bị như điện thoại di động đã thu hút nhiều sự chú ý từ những năm 1990 cho đến nay. Đó cũng là lý do cho em tập trung nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu công nghệ truyền năng lượng không dây ứng dụng cho bộ sạc pin Lithium – Pin (Ắc quy) “. 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu Với mục đích thiết kế ra một hệ thống sạc thiết bị không dây đơn giản và hiệu quả, giảm thiểu việc thao tác đầu nối đối với người sử dụng, và tăng tính hiện đại theo xu hướng của thị trường. Trong thời gian (238 đến 11122021) thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học. Em tập trung nghiên cứu hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần, nguyên lý của hệ thống dựa trên hiệu ứng cộng hưởng từ. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong lĩnh vực robotic và thiết bị điện tử phục vụ nhu cầu hằng ngày của con người … Với những mục tiêu được đặt ra như sau: 3. Phương pháp nghiên cứu Ngày nay, nghiên cứu về công nghệ truyền tải điện không dây là vấn đề quan trọng để phát triển hệ thống điện trong tương lai. Việc này sẽ giảm thiểu được chi phí trong thiết kế, thi công các công trình về điện dân dụng và công nghiệp. Từ đó, quá trình sử dụng điện sẽ tiện lợi hơn, hệ thống điện không phải đấu nối dây dẫn phức tạp khi số lượng thiết bị điện tăng lên. Đối với các ứng dụng tầm ngắn hiện đại, truyền tải điện cảm ứng (IPT) hệ thống và hệ thống sạc không dây cho thiết bị cầm tay các thiết bị như điện thoại di động đã thu hút nhiều sự chú ý từ những năm 1990 cho đến nay. Đó cũng là lý do cho em tập trung nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu công nghệ truyền năng lượng không dây ứng dụng cho bộ sạc pin Lithium – Pin (Ắc quy) “. 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu Với mục đích thiết kế ra một hệ thống sạc thiết bị không dây đơn giản và hiệu quả, giảm thiểu việc thao tác đầu nối đối với người sử dụng, và tăng tính hiện đại theo xu hướng của thị trường. Trong thời gian (238 đến 11122021) thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học. Em tập trung nghiên cứu hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần, nguyên lý của hệ thống dựa trên hiệu ứng cộng hưởng từ. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong lĩnh vực robotic và thiết bị điện tử phục vụ nhu cầu hằng ngày của con người … Với những mục tiêu được đặt ra như sau: 3. Phương pháp nghiên cứu

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

Hiện nay, đã có nhiều thông tin về công nghệ truyền điện không dây được công bố trong và ngoài nước, điển hình xuất phát từ ý tưởng của nhà khoa học Nikola Tesla, tiếp đến là các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên khắp thế giới để tiếp nối ý tưởng truyền điện không dây như:

Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng các cuộn dây cộng hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu sáng, điện thoại di động, PDA, iPod, v.v

Năm 2006, các nhà vật lý ở Viện Công nghệ Massachussetts, Mỹ đã giả định một cách để loại trừ những khó khăn này bằng cách sử dụng các sóng điện từ “phù du” không phát xạ.

Năm 2007, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đường kính 60 cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền năng lượng không dây tường minh hơn.

Tháng 3 năm 2015, các nhà khoa học Nhật Bản đã thực hiện được một bước đột phá trong việc truyền tải năng lượng điện không dây vũ trụ từ mặt trời. Đặc điểm chung của các hệ thống này đều dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt Trái Đất.

Trong bản báo cáo này, em sẽ trình bày về một sản phẩm truyền điện không dây nhỏ gọn, truyền điện được ở khoảng cách gần từ 0 – 50mm với hiệu suất truyền từ 50 – 90% Công việc chính của em là liên kết các dữ liệu về nguyên lý hoạt động, phương pháp lựa chọn linh kiện, phương pháp chế tạo vòng dây sơ cấp và thứ cấp, các nguyên lý này được tìm hiểu từ những bài báo khoa học đã được công bố và em sẽ ứng dụng chúng vào một bài toán cụ thể là “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ

TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO BỘ SẠC PINLITHIUM – PIN ẮC QUY”.

TỔNG QUÁT VỀ TỪ TRƯỜNG VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG

Từ trường

Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh nam châm, dòng điện Từ trường gây ra lực từ (lực tương tác) lên nam châm dòng điện hoặc các vật có từ tính đặt trong đó.

 Đặc điểm của từ trường:

-Đại lượng đặc trưng là cảm ứng từ B đơn vị (T).

 Cách xác định từ trường:

-Trong ống dây: Các đường sức từ là những đường thẳng song song, khi đó chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc bàn tay phải như sau: Nắm bàn tay phải rồi đặt sao cho chiều khum bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện quấn trên ống dây, khi đó, ngón cái choãi ra chỉ hướng của đường sức từ.

-Trong đoạn dây dẫn: Chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện có thể xác định bằng quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều dòng điện I, khi đó ngón tay cái choãi ra 90 độ chỉ chiều của lực từ F tác dụng lên dòng điện”.

-Từ trường chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn : Là những đường cong , đường đi qua tâm O là đường thẳng Xác định theo quy tắc bàn tay phải.

- Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn dài thẳng.

- Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn.

- Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn hình trụ.

 Trong hệ thống này ta sử dụng từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn và được uốn thành nhiều vòng tròn tạo thành một mặt phẳng tròn.

- B: Độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của vòng dây bán kính R.

- r: bán kính vòng dây của mặt phẳng tròn (m).

- I: cường độ dòng điện chạy trong vòng dây

Hình 1.2: Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn.

Từ thông

Từ thông hay còn gọi là thông lượng từ trường Là một đại lượng đo lường từ trường qua một diện tích được giới hạn bởi một vòng dây kín.

-Mật độ từ thông phụ thuộc vào diện tích vòng dây kín.

-Từ thông tỉ lệ thuận với cảm ứng từ.

-Từ thông lớn khi lượng từ trường đi qua mặt phẳng lớn.

-Từ thông đơn vị: vêbe (wb).

-Φ: chính là đơn vị từ thông được sinh ra từ hiện tượng cảm ứng.

-N: Tổng số vòng dây quấn tạo nên khung dây.

-B: hiện diện cho các dòng cảm ứng từ.

-S: Diện tích hay còn gọi là độ rộng để từ thông xuyên qua => S càng lớn thì thông Φ càng lớn.

-Và cuối cùng α là chính là góc được tạo ra bắt nguồn từ 2 vectơ pháp tuyến của khung dây và cảm ứng từ (n⃗ và B⃗). α là góc nhọn

Hình 1.3: Từ thông sinh ra trong một vòng dây.

Truyền sóng

Sóng điện từ: Sóng điện từ là loại sóng được tạo ra nhờ sự kết hợp vuông góc của dao động điện trường và từ trường, lan truyền trong không gian Trong quá trình lan truyền sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin.

-Có thể lan truyền được trong tất cả các môi trường rắn, lỏng, khí và chân không.

-Sóng điện từ mang năng lượng, có bước sóng λ là hc/λ với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

-Thông thường giữa máy phát và cuộn phát cũng như giữa máy thu và cuộn thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép thông qua một đường truyền dẫn năng lượng điện từ gọi là fide như (hình 1.4) Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới cuộn phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Cuộn phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài không gian.

-Ngược lại, cuộn thu có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trong không gian (chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ do cuộn phát truyền đi, phần còn lại sẽ bức xạ lại vào không gian) và biến chúng thảnh sóng điện từ ràng buộc rồi truyền đến máy thu

Hình 1.4: Quá trình chuyển tiếp trường của anten.

 Sóng điện từ bao gồm hai thành phần:

Chúng có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình lan truyền.

Cảm ứng từ

-Là hiện tượng từ thông qua mạch kín biến thiên (tăng hoặc giảm) Lúc đó mạch kín sẽ xuất hiện dòng điện, đây gọi là dòng điện cảm ứng.

-Nói cách khác cảm ứng điện từ là hiện tượng được hình thành 1 suất điện động (điện áp) trên 1 vật dẫn khi vật đó được đặt trong 1 từ trường biến thiên.

-Từ thông đi qua một mạch kín thay đổi trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.

-Chiều của dòng điện cảm ứng trong vòng dây phụ thuộc vào từ thông qua mặt phẳng dây dẫn tròn tăng hay giảm.

Trong hệ SI, đơn vị cảm ứng từ là tesla (T) 1 1

Độ lớn: Được đo bằng thương số giữa lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng từ tại điểm đó và tích của cường độ dòng điện và chiều dài đoạn dây dẫn đó.

Hình 1.5: Hệ số tự cảm K.

Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.

Từ thông biến thiên do chính mạch đó gây ra nên được gọi là tự cảm. Đơn vị: henry H.

Hệ số tự cảm giữa hai cuộn dây “K” được định nghĩa theo công thức:

-L1 và L2 là giá trị điện cảm từ cảm của hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.

-M là điện cảm hỗ cảm (độ tự cảm) giữa hai cuộn dây.

-Mối quan hệ của L1* L2 >= M được thấy trong các giá trị điện cảm của hai cuộn dây và điện cảm hỗ cảm (độ tự cảm) của chúng, mối liên hệ này tạo ra một khoảng.

- 0 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

Ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor

-Chân D tương đương với chân C.

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng.

Ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.

 Đối với kênh P: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs = 0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

 Đối với kênh N: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs > 0 Điện áp điều khiển đóng là Ugs tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Cực của diode đấu với lớp P được gọi là Anot (kí hiệu là A), cực còn lại đấu với lớp N được gọi là Catot (kí hiệu là K) Đặc tính cơ bản nhất của một diode đó là chỉ cho phép dòng điện đi từ A sang K.

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc đó, khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn

0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge. Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Và lúc này vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp được gọi là vùng nghèo do rất hiếm các hạt dẫn điện tự do Vùng này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.

→ Điện áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện Điện áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện.

=> Đây là cốt lõi hoạt động của diode.

Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua diode theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở Anot một điện thế cao hơn ở Catot.

+ Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (UTX) Như vậy muốn có dòng điện qua điốt thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.

+ Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID tức IDIODE) Dòng điện thuận có chiều từ Anot sang Catot.

+ Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điốt lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm) Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với UTX Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với UTX cần khoảng 0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampe Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua điốt khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điốt bắt đầu dẫn và khi UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA.

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anot và điện áp âm (-) vào Catot, khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại.

+ Khi điện áp chênh lệch giữa hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện.

+ Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V).

→ Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận = 3V.

Pin (Ắc Quy) khô 12V

Pin (Ắc Quy) là nguồn điện thứ cấp, hoạt động dựa vào quá trình biến đổi hóa năng thành điện năng để tiến hành tích trữ và cấp điện cho các thiết bị điện Người dùng có thể sử dụng máy nạp ắc quy để tái sạc điện và sử dụng ắc quy nhiều lần trước khi thay thế Trong thực tế, ắc quy còn được biết đến với những tên gọi như ắc quy, bình accu, bình ắc quy, ắc quy lưu điện, ắc quy tích điện.

Cấu tạo cơ bản của một bình ắc quy lưu trữ điện gồm các bộ phận:

Bên trong ắc quy thường được chia thành các ngăn nhỏ, mỗi ngăn gồm các bản cực âm và bản cực dương Bản cực âm và bản cực dương có tấm chắn ngăn cách, giữa 2 bản cực được điền đầy bằng chất điện phân và được nối với nhau bằng thanh nối.

Bên ngoài ắc quy được bao bọc bằng vỏ bọc, phía trên có các cọc bình dùng để nối ắc quy với tải ngoài hoặc nối các ắc quy với nhau Ngoài ra, với các ắc quy hở, phía trên bình sẽ có thêm nút thông hơi để giúp thoát khí trong bình ra môi trường ngoài.

Phân loại dựa trên loại chất điện phân của bình ắc quy:

Ắc quy kiềm: Là loại ắc quy dùng kiềm làm chất điện phân

Ắc quy axit (ắc quy axit-chì): Là loại ắc quy dùng axit làm chất điện phân, được chia thành các loại nhỏ hơn như sau:

1 Ắc quy axit hở khí: Khí bên trong bình ắc quy có thể thoát ra ngoài được, gồm ắc quy hở khí dạng ngập nước phải bảo dưỡng và ắc quy hở khí không phải bảo dưỡng.

2 Ắc quy axit kín khí: Khí bên trong bình ắc quy không thể thoát ra ngoài, gồm ắc quy khô tấm hút AGM và ắc quy khô gel. Ắc quy pin Lithium: Là loại ắc quy dùng muối lithium trong dung môi hữu cơ làm chất điện phân.

Các thông số kỹ thuật cơ bản trên bình ắc quy gồm: Điện áp ắc quy (đo bằng đơn vị V): Là hiệu điện thế chênh lệch giữa 2 đầu cực dương và cực âm của bình ắc quy.

Dung lượng ắc quy (đo bằng đơn vị Ah): Là tích giữa dòng điện phóng và thời gian phóng điện của ắc quy. Để sạc Pin (Ắc quy):

Sạc bình ắc qui 12V, người ta sử dụng bộ điều khiển MCU theo 3 chế độ sạc:

• Chế độ sạc nhanh: Trường hợp điện áp của ắc quy thấp hơn 80% so với giá trị của bộ sạc, bộ sạc sẽ khởi động chế độ sạc nhanh, dòng sạc liên tục không đổi cho ắc quy Từ đó, thời gian sạc bình ắc quy 12V cũng nhanh hơn. sạc, đảm bảo sạc đầy nhưng vẫn tránh được hiện tượng quá sạc, gây nóng bình, làm sôi dung dịch axit, dẫn đến hỏng bình.

• Chế độ sạc nhỏ giọt: Khi điện áp của ắc quy gần bằng với giá trị được thiết lập của bộ sạc, dòng sạc của máy sẽ tự động giảm dần về 0 Lúc này đèn báo màu xanh, ắc quy đầy bình, bộ sạc ngừng làm việc.

• Thời gian sạc điện ắc quy:

- Ah: dung lượng “là cường độ A x thời gian”.

Theo khuyến cáo của nhà sả xuất: nên chọn dòng sạc 1/10 dung lượng.

• Ví dụ: Giả sử muốn sạc ắc quy có dung lượng 120Ah thì dòng sạc phải bằng 10% đánh giá Ah của ắc quy Vì thế: dòng sạc = 120Ah x (10/100) = 12 ampe Nhưng do tổn thất, ta có thể chọn dòng 13 ampe để sạc Do đó, thời gian sạc ắc quy 120Ah = 120/13 = 9,23 giờ => Đây là trường hợp sạc lý tưởng Thực tế ghi nhận 40% tổn thất xảy ra trong khi sạc Khi đó 120 x (40/100) = 48 (120Ah x 40% tổn thất).

Các yếu tố ảnh hưởng đến Ắc quy?

- Nhiệt độ: tiêu chuẩn 25 độ.

+ CYCLE USE “Dùng hết rồi mới sạc”.

+ STANDBY “Trong máy UBS hay bộ lưu điện mà người ta cắm 24/24h”.

- Tuổi thọ thiết kế “Số vòng nạp xả”. Đối với chế độ nạp CYCLE USE

Khuyến cáo sạc với U từ 14 đến 15V cho 1 bình (vượt quá gây ra phù bình,hỏng bình).

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TÌM HIỂU TIÊU CHUẨN PHỔ BIẾN CỦA HỆ THỐNG SẠC ĐIỆN THOẠI KHÔNG DÂY CÓ TRÊN THỊ TRƯỜNG

Hiện nay trên thị trường sạc không dây có 4 tiêu chuẩn chính về truyền tải điện không dây:

 Chuẩn sạc Qi: Do tổ chức công đoàn năng lượng không dây Wireless

Power Consortium - Viết tắt WPC - liên minh công nghệ của Sanyo, Texas Instruments, Philips, Olympus và Samsung, thành lập vào năm 2008.

 Chuẩn sạc PMA: Do Google, AT&T, ZTE, Starbucks, McDonalds,

PowerKiss, … sáng lập và Tháng 4/2013, Hiệp hội PMA vừa kết nạp thêm ba thành viên mới, gồm HTC, LG và Samsung

 Chuẩn sạc A4WP: Do Alliance for Wireless Power liên minh của những tập đoàn công nghệ lớn Samsung, Qualcomm, Intel, … sáng lập.

 Chuẩn sạc WiPower: Là một trong những công ty công nghệ đầu tiên sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để phát triển hệ thống truyền năng lượng không dây tầm ngắn Qualcomm đã mua lại công ty này và tiếp quản công nghệ sạc cùng tên từ năm 2010. o Chuẩn sạc Qi:

Về bản chất, Qi là tên của một tiêu chuẩn dành cho công nghệ truyền tải điện năng không dây Định dạng của tiêu chuẩn này được đề xuất và xác nhận bởi tổ chức Công đoàn Năng lượng Không dây (Wireless Power Consortium - Viết tắt WPC - liên minh công nghệ của Sanyo, Texas Instruments, Philips, Olympus và Samsung, thành lập vào năm 2008) Mục tiêu ban đầu là tiêu chuẩn hoá việc sạc điện không dây cho tất cả mọi thiết bị điện tử đến từ nhiều hãng phần cứng khác nhau.

Chuẩn Qi sử dụng cả cảm ứng từ và cộng hưởng từ cho việc sạc Tiêu chuẩn này đề ra để giúp người dùng tránh phải 3 vấn đề lớn:

• Quá tải điện năng: mỗi chiếc smartphone đều có một giới hạn điều năng để đề phòng các sự cố Như đã nói, sạc không dây phụ thuộc nhiều vào các lõi dây, nếu không đặt ra một tiêu chuẩn chung, có khả năng một bộ sạc mạnh quá có thể sẽ làm hư một thiết bị chỉ hỗ trợ sạc năng lượng thấp.

• Quá nhiệt: Tương tự như trên, việc dùng một bộ sạc mạnh hơn so với thiết bị được hỗ trợ có thể làm cho nó quá nhiệt, tệ hơn là cháy nổ Các vụ cháy nổ này thì chúng ta đã chứng kiến quá đủ và biết nó nguy hiểm như thế nào rồi. thứ cấp trong điện thoại để truyền điện và đâu là một vật thể lạ Ví dụ như một tấm kim loại có thể xem là một cuộn dây mà Điều này nguy hiểm vì có thể gây làm nóng vật thể, cháy hay nổ.

Một thiết bị sạc, hoặc điện thoại được gắn tiêu chuẩn Qi đều được kiểm tra bởi WPD để đảm bảo an toàn, độ hiệu quả và tính tương thích Chuẩn Qi sẽ cho phép các thiết bị hoạt động trong tầm 0 đến 30 Watt Thực tế thì Qi hỗ trợ lên tới 1kW, nhưng không phải là cho điện thoại Các thiết bị phải vượt qua bài test nhiệt độ, và hoạt động tốt với cơ chế FOD như đã nói bên trên thì mới được Các thiết bị có chuẩn Qi đều có thể hoạt động chéo với nhau.

Chuẩn Qi tập trung cơ bản vào khả năng điều tiết năng lượng Những bộ sạc không dây dùng tiêu chuẩn này có dạng một bề mặt phẳng, vì nó giúp phân phối năng lượng ổn định và hợp lí hơn Những thiết bị có tích hợp chuẩn Qi có thể điều chỉnh lượng sạc cho thiết bị và tự chuyển sang chế độ chờ khi thiết bị đã đầy pin. Những bộ sạc này chỉ hoạt động khi các thiết bị tiêu thụ chúng đặt lên bên trên, còn khi không có thiết bị thì chúng tự chuyển sang chế độ chờ, không kích hoạt để tiết kiệm điện trong cả quá trình. o Chuẩn sạc PMA (Power Matters Alliance):

PMA, gồm Google, AT&T, ZTE, Starbucks, McDonalds, PowerKiss,…). Tháng 4/2013, Hiệp hội PMA vừa kết nạp thêm ba thành viên mới, gồm HTC, LG và Samsung

PMA hướng đến việc xây dựng những điểm sạc không dây công cộng, thay vì gói gọn ở mức độ tiêu dùng cá nhân dựa trên thiết bị và đệm sạc bán ra Giải pháp của PMA được sử dụng tại rất nhiều nơi công cộng ở Hoa Kỳ (hơn 1.500 trạm sạc không dây tại các quán cà phê Starbucks, sân bay, khu mua sắm ).

Tiêu chuẩn PMA phát triển dựa trên cảm ứng điện từ sử dụng dụng các sản phẩm Powermat của Duracell, yêu cầu thiết bị truyền và nhận phải đặt sát nhau. Thiết bị di động phải được đặt hoàn toàn trên đệm sạc Đệm sạc sẽ nhận dạng thiết bị, xác định nguồn năng lượng cần thiết và truyền năng lượng đến thiết bị Tần số hoạt động của đệm sạc Powermat dao động khoảng 277-357kHz Sau khi thiết bị được sạc đầy, đệm sạc sẽ dừng hoạt động và ngừng truyền năng lượng Yếu tố điều tiết thông minh đó giúp người dùng giải tỏa được nỗi lo chai pin có thể xảy ra khi sạc máy liên tục, thiếu kiểm soát. o Chuẩn sạc A4WP:

Chuẩn A4WP do Alliance for Wireless Power (liên minh của những tập đoàn công nghệ lớn Samsung, Qualcomm, Intel, …) phát triển Sức hút của chuẩn A4WP nằm ở yếu tố linh động trong quá trình sạc pin Thay vì sử dụng cơ chế cảm ứng điện từ, A4WP áp dụng nguyên tắc cộng hưởng từ, cho phép sạc điện thoại ngay cả khi miếng đệm sạc và thiết bị được ngăn cách bởi một tờ tạp chí, hay những vật cản khác

Một đế sạc không dây loại A4WP có thể sạc nhiều thiết bị cùng lúc (thiết bị sạc chỉ cần tiếp xúc hạn chế với mặt phẳng sạc, thay vì bắt buộc phải tiếp xúc trực tiếp với đế sạc như ở chuẩn Qi) Thế mạnh đó mang lại sự linh động cho các nhà thiết kế Nhưng bù lại, cuộn dây của A4WP sẽ có kích thước lớn hơn trên Qi, làm giảm đi tính gọn gàng trong thiết kế đế sạc o Chuẩn WiPower:

WiPower là một trong những công ty công nghệ đầu tiên sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để phát triển hệ thống truyền năng lượng không dây tầm ngắn. Qualcomm đã mua lại công ty nầy và tiếp quản công nghệ sạc cùng tên từ năm

2010, rồi âm thầm thỏa thuận với các nhà sản xuất để tích hợp WiPower vào các thiết bị thử nghiệm

WiPower cho phép thiết bị cung cấp năng lượng điều chỉnh linh hoạt năng lượng được yêu cầu từ thiết bị được sạc pin mà không cần đến một hệ thống điều khiển, hoặc kênh giao tiếp như các chuẩn sạc không dây khác Không cần thêm một hệ thống điều khiển, giảm thiểu quá trình giao tiếp cũng là một trong những điểm trội của WiPower

Các bộ sạc WiPower được công bố có thể hiệu suất hoạt động tầm 60% - 75% Hệ thống sạc cảm ứng WiPower cho phép sạc thiết bị trong phạm vi 45mm.

TÌM HIỂU SẢN PHẨM SẠC KHÔNG DÂY VÀ THIẾT BỊ HỔ TRỢ SẠC KHÔNG DÂY CÓ TRÊN THỊ TRƯỜNG

Hình 2.1: Hệ thống sạc không dây có trên thị trường. chu kỳ làm việc khoản 1s một lần để xem thiết bị thu (và phản hồi) có nằm trong (giới hạn) (khung) (khoản cách) không Nếu có thiết bị nằm trong khu vực phát sóng và mạch phát nhận được tín hiệu cảm ứng sẽ đưa về bộ điều khiển trung tâm cho phép mạch phát điều khiển cho cuộn dây phát hoạt động.

Mạch thu: khi cuộn dây mạch thu được đưa vào khu vực phát từ trường của cuộn dây phát (cuộn dây có năng lượng từ trường phát ra) sẽ nhận tín hiệu và hệ thống bộ phát sẽ cộng hưởng tín hiệu và tạo ra từ trường cảm ứng phát ngược lại cho phát để nhận biết hệ thống tương thích và làm cho hệ thống mạch phát hoạt động.

Các thông số của hệ thống thu phát có sẵn:

- Điện áp đầu vào mạch phát Vin= 5v, 1A.

- Mạch phát tiêu thụ khi chưa có mạch thu I= 0.02A.

- Mạch phát tiêu thụ khi có mạch thu (mạch thu gồm anten thu mạch ổn áp sạc và tải là điện thoại) I = 0.3A.

- Khoản cách hoạt động (phạm vi hoạt động) độ cao < 2mm.

- Phạm vi đồng tâm < 10% tính từ tâm là hiệu suất đạt yêu cầu.

- Tần số mạch phát khi có mạch thu chưa tải hoạt động với tần số đo được f = 180Khz.

- Tần số mạch phát khi có mạch thu và tải hoạt động với tần số đo được f = 208 Khz

Hình 2.3: Sóng của cuộn phát đo được. Đánh giá hệ thống:

Kết quả thu được khi thử nghiệm:

 Khoảng cách hạn chết (thấp).

 Năng lượng truyền thấp (chỉ sạc cho thiết bị cầm tay dung lượng thấp) Ưu điểm:

 Có tính năng nhận biết những vật thể có từ tính (để tránh phá hỏng hư hại cho các thiết bị nằm trong phạm vi hoạt động).

 Có quy chuẩn được đặt ra và hoạt động tương thích với các hãng sản xuất khác nhau, mạch được thiết kế với các chíp tích hợp nên tính ổn định khá cao và chính xác thực tế.

GIỚI THIỆU VỀ ANTEN (CUỘN DÂY THỨ CẤP) 40 2.4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM MẠCH TẠO TỪ TRƯỜNG CHO CUỘN DÂY

Dựa trên cơ sở lý thuyết, đánh giá hệ thống sạc không dây có trên thị trường và mục tiêu của đề tài đặt ra sạc cho pin (ắc quy) nên yêu cầu được đặt ra là:

- Sạc cho ắc quy phải là điện áp trên 12v.

Vì tời gian hạn hẹp và thiết bị đo đạc hổ trợ không đủ nên em chọn phương pháp sử dụng cuộn dây có trong các thiết bị thông dụng (bếp từ) để làm anten thu và phát.

- Trong quá trình thiết kế anten truyền tải năng lượng, việc thiết kế về hình dạng anten cũng ảnh hưởng đến việc truyền tải năng lượng, điển hình một số tài liệu có đề cập đến và phân tích về hình dạng của Anten (hình cuộn tròn chóp nón, hình tròn mặt phẳng, hình cuộn tròn lò xo trụ).

- Từ trường ở tâm của 3 loại hình học cuộn dây là khác nhau.

- Hình dạng của hình xoắn ốc và hình trụ tương đối giống nhau truyền điện hiệu quả.

- Tuy nhiên hình nón lại có kích thước lớn không phù hợp để thiết kế mạch thu.

Hình 2.4: Một số hình dạng phổ biến của Anten.

(a) Cuộn tròn lò xo trụ, (b) Hình tròn mặt phẳng, (c) Hình cuộn tròn chóp nón

2.4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM MẠCH TẠO TỪ TRƯỜNG CHO CUỘN DÂY 2.4.1 Sử dụng IC 555

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lí mạch.

Hình 2.6: Hình ảnh cắm board test.

Mô tả: IC 555 hoạt động nhờ vào sự tự tạo dao động bên trong ic, tín hiệu tần số dao động đầu ra phụ thuộc vào cách thay giá trị tụ điện ở chân tín hiệu so sánh đầu vào ic ,tín hiệu đầu ra của ic được sử dụng điều khiển mosfet để mở điện áp cho một đầu cuộn dây phát, một đầu cuộn dây còn lại nối về nguồn còn lại của nguồn cung cấp.

+ Thử nghiệm chưa hoạt động thành công, mosfet nóng và tiêu thụ nguồn cao. + Chưa nắm kỹ nguyên lý hoạt động, mosfet đóng mở chưa đồng bộ với cuộn dây nên gây ra hiện tượng trả ngược tín hiệu và làm nóng mosfet. Ưu điểm:

+ Sử dụng module có sẵn.

+ Sử dụng mạch để thử nghiệm đo đạt được tín hiệu đầu ra, sử dụng máy đo sóng để đo và kiểm tra so sánh với các tín hiệu ở các bảng mạch được sử dụng trong đề tài thì cho ra kết quả: tín hiệu đầu ra ổn định, dùng máy đo chính xác, tín hiệu đầu ra điều khiển đúng thông số và ổn định

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch TL 494.

IC TL 494 hoạt động nhờ vào sự tự tạo dao động bên trong ic, có 2 kênh tạo tín hiệu dao động lệch pha 90º, tín hiệu được sử dụng điều khiển 2 mosfet để mở điện áp cho cuộn dây

+ Thử nghiệm chưa hoạt động thành công, mosfet nóng và ăn nguồn

+ Chưa nắm kỹ nguyên lý hoạt động, mosfet đóng mở chưa đồng bộ với cuộn dây nên gây ra hiện tượng trả ngược tín hiệu và làm nóng mosfet

+ Lắp ráp mạch ic hoạt động.

Mạch dao động điện từ LC là một mạch điện khép kín gồm một cuộn cảm L mắc với một tụ điện C.

Hình 2.8: Nguyên lý mạch LC.

- E là nguồn điện không đổi có suất điện động E.

- K là một khóa điện có thể đóng sang A hoặc đóng sang B.

- L là cuộn cảm thuần có độ tự cảm L.

- C là tụ điện có điện dung C.

- Xét trường hợp điện trở của các dây nối đều không đáng kể.

Ban đầu đóng khóa K sang vị trí A: Tụ điện C được nạp điện Khi tụ điện C đầy điện thì điện tích của tụ điện C là:

Sau đó đóng khóa K sang vị trí B: Tụ điện C phóng điện qua cuộn cảm L Dòng điện phóng ra có cường độ biến thiên theo thời gian nên trong cuộn cảm thuần L có một suất điện động tự cảm Điện tích của tụ điện giảm dần, độ lớn của dòng điện tăng dần.

Biểu thức của điện tích của một bản tụ điện trong mạch dao động LC có dạng:

- q là điện tích tức thời của một bản tụ điện tại thời điểm t (q có đơn vị là C).

- Qo là điện tích cực dại của tụ điện (Qo = CE như nói ở trên) (Qo cũng có đơn vị là C) 1

- Là tần số góc của dao động điện từ trong mạch, cũng là tần số góc của sự biến thiên điện tích q.

- là pha ban đầu của q (nếu ta chọn gốc thời gian lúc tụ điện C đang đầy điện thì = 0).

Hình 3.1: Anten với chất liệu dây đồng một lõi uốn thành mặt phẳng hình xoắn ốc.

 Độ tự cảm: 16,7uH. Ưu điểm:

Chất liệu dễ kiếm, đơn giản thiết kế thao tác, có nhiều kích thước để thực nghiệm.

Hệ số tự cảm không cao, chưa tìm được thông số kỹ thuật để đánh giá và tính toán, không đồng bộ với các chất liệu mà các nhà sản xuất đã sử dụng cho sản phẩm.

Hình 3.2: Anten với chất liệu đồng nhiều lõi mỏng có lớp cách điện uốn thành mặt phẳng xoắn ốc.

 Độ tự cảm: 19,2 uH. Ưu điểm:

Chất liệu dễ kiếm, đơn giản thiết kế thao tác, có nhiều kích thước để thực nghiệm.

Hệ số tự cảm không cao, chưa tìm được thông số kỹ thuật để đánh giá và tính toán, không đồng bộ với các chất liệu mà các nhà sản xuất đã sử dụng cho sản phẩm.

Hình 3.3: Anten với chất liệu nhiều dây đồng một lõi có tráng men đan lại và uốn thành một măt phẳng hình xoắn ốc.

 Độ tự cảm: 113,5uH. Ưu điểm: Đây là cuộn dây tạo từ trường công nghiệp trên thị trường được sử dụng đại trà cho các thiết bị sử dụng từ (bếp từ), tính ổn định cao, cuộn dây hoạt động ở điện áp cao công suất lớn.

Sử dụng cuộn dây sẵn có nên chưa đưa ra áp ứng về giá trị của cuộn dây mong muốn mỗi hãng sản xuất khác nhau nên thông số và cách thiết kế cũng khác nhau. Chưa có nhiều thông tin về cuộn dây để lấy chuẩn so sánh tìm kiếm

Hình 3.4: Anten với chất liệu nhiều dây đồng một lõi có tráng men đan lại và uốn thành hai mặt phẳng hình xoắn ốc chồng nhau.

 Độ tự cảm: 107 uH. Ưu điểm: Đây là cuộn dây tạo từ trường công nghiệp trên thị trường được sử dụng đại trà cho các thiết bị sử dụng từ (bếp từ), tính ổn định cao, cuộn dây hoạt động ở điện áp cao công suất lớn.

Sử dụng cuộn dây sẵn có nên chưa đưa ra áp ứng về giá trị của cuộn dây mong muốn mỗi hãng sản xuất khác nhau nên thông số và cách thiết kế cũng khác nhau. Chưa có nhiều thông tin về cuộn dây để lấy chuẩn so sánh tìm kiếm.

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch phát trong đồ án.

Hình 3.6 :Hình ảnh thực tế của mạch phát.

Mô tả: Khi cấp nguồn mạch hoạt động nhờ vào nguyên tắc dao động LC giữa cuộn cảm và tụ điện được thiết kế để đóng mở 2 mosfet cấp nguồn biến thiên cho cuộn dây, nhờ vào sự biến thiên nguồn điện ở cuộn dây phát ra từ trường, khi sự kết hợp tương thích giữa mạch phát và cuộn dây sẽ tạo ra từ trường cộng hưởng ở cuộn dây phát Từ trường sẽ phát ra xung quanh cuộn dây.

Diode zenner có tác dụng ổn định mức điện áp cho phép cấp nguồn cho chân

G (gate) để điều khiển mosfet không vượt quá mức điện áp.

THỰC NGHIỆM VÀ BÁO CÁO KẾT QUẢ

BÁO CÁO KẾT QUẢ

3.2.1 Thông số của hệ thống với điện áp đầu vào thay đổi.

Bảng 3.1: Thông số của hệ thống với điện áp đầu vào 12V.

Cách Điện áp đầu vào

IIn mạch thu có tải

Tần số khi không có mạch thu

Tần số khi có mạch thu

Hình 3.11: Hình ảnh dạng sóng hiển thị trên máy với điện áp đầu vào 12V.

Bảng 3.2: Thông số của hệ thống với điện áp đầu vào 20V.

Cách Điện áp đầu vào

IIn mạch thu có tải

Tần số khi không có mạch thu

Tần số khi có mạch thu

Hình 3.12: Hình ảnh dạng sóng hiển thị trên máy với điện áp đầu vào 20V.

3.2.2 Khó khăn, trong quá trình thiết kế và xây dựng hệ thống

 Khó khăn trong việc tìm hiểu kiến thức thực tế về thiết kế mạch.

 Khoảng cách còn ngắn < 5 cm.

 Chưa nắm bắt sâu về nguyên lý hoạt động của các linh kiện, cần thêm thời gian tìm hiểu.

3.2.3 Kết quả đạt được khi hoàn thành đồ án

+ Từ yêu cầu đặt ra ban đầu, em đã hoàn thành được mô hình truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần Với các thông số:

 Biết thêm nhiều kiến thức về các linh kiện cũng như cách sử dụng các thiết bị đo điện trở, cuộn cảm, tụ, ….

 Biết được cách thu thập dữ liệu.

 So sánh các dữ liệu của các hệ thống khác nhau.

 Biết cách tạo anten gồm những thông tin cần thiết gì?

 Tiếp thu được nhiều dữ liệu từ việc nghiên cứu tìm hiểu các dự án, bài báo của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.

 Tuy nhiên mạch vẫn còn nhiều hạn chế chưa đạt yêu cầu ban đầu đặt ra.

Tăng khoảng cách truyền giữa hệ thống phát đến hệ thống thu.

Tìm hiểu nâng cấp các tính năng của mạch để mạch ổn định hơn.

[2] GS.TSKH Phan Anh Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007

[3] Design, Simulation and Fabrication of Rectenna Circuit at S - Band for Microwave Power Transmission Doan Huu Chuc 1,*, Bach Gia Duong 2

[4] Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây dải sóng 2.45GHz Sesearch solutions for wireless energy transfer NXB H : ĐHCN, 2014

[5] https://congnghiepcongnghecao.com.vn/tin-tuc/t23162/nghien-cuu-che-tao-he- thong-truyen-nang-luong-khong-day-dua-tren-hieu-ung-cong-huong-tu-o-khoang- cach-trung-binh.html.

[6] https://luatvietnam.vn/thong-tin/thong-tu-17-2018-tt-btttt-phan-kenh-tan-so- cho-nghiep-vu-bang-tan-30-30000-mhz-169610-d1.html

[7] https://www.youtube.com/watch?v=JhbG8ujP4P4

[9] Wireless Charging AGV and Power Supplies - Forklifts - Mobile Robots - Industrial Trucks - Wiferion

[11] Bạch Gia Dương, Đoàn Hữu Chức Design, simulation and fabrication of Rectenna circuit at S-Band for microwave power transmission VNU Journal of Science: Mathematics – Physics.

[12] 2.4GHz High Efficient Rectenna using Artificial Magnetic Conductor (AMC)

[13] MICROWAVE AND MILLIMETER-WAVE RECTIFYING CIRCUIT ARRAYS AND ULTRA-WIDEBAND ANTENNAS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND COMMUNICATIONS

A Dissertation by YU-JIUN REN

[14] RF and Microwave Power Amplifier Design (2005)

TRƯỜNG ĐH DUY TÂN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2021