Tìm hiểu về công nghệ sạc không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ĐỀ TÀI NHẬP MÔN: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC KHÔNG DÂY Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Sơn Sinh viên thực hiện: Trần Văn Bắc MSSV: 20121269 Lớp: TĐH 03 - K57 Nguyễn Trung Đức MSSV: 20121567 Lớp: TĐH 04 – K57 Hà Nội 12/2013 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, trên con đường xây dựng Đất nước của bất cứ quốc gia nào trên thế giới thì nền móng vững chắc nhất của nền kinh tế để đưa đất nước mình ngày càng phát triển phải là đi từ công nghiệp hoá, hiện đại hoá mà trong đó “Tự Động Hoá” lại là khâu quan trọng nhất quyết định hầu hết sự thành công của quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đó. Gần như nói đến tự động hoá là nói đến các dây truyền máy móc, các thiết bị tự động,Tự động hoá làm nâng cao năng xuất lao động, tăng chất lượng sản phẩm, có thể tạo ra nhiều loại hàng hoá chất lượng cao trong một thời gian ngắn đáp ứng được hầu hết nhu cầu của người tiêu dùng, góp phần giải phóng sức lao động của con người Đặc biệt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi kỹ thuật cao, độ chính xác lớn hoặc trong các lĩnh vực mà con người không thể thực hiện đượcthì máy móc hay nói cách khác tự động hoá là yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của công việc. Nói như vậy không phải là ta đã phủ nhận vai trò của con người trong lĩnh vực này mà trái lại con người lại là nhân tố quyết định sự thành công của quá trình tự động hoá bởi con người tạo ra dây truyền máy móc và vận hành chúng. Cái đáng nói là chúng ta vận hành nó ra sao, đó chính là công việc của các kỹ sư, các cử nhân điều khiển,.. là một sinh viên viện điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội em vô cùng tự hào và cũng nhận thấy được trách nhiệm của mình là phải học tập thật tốt để không phụ lòng thầy cô, cha mẹ và bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Ts. Nguyễn Việt Sơn đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho chúng em hoàn thành bài báo cáo này. Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy các cô trong bộ môn Điều khiển tự động đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực báo cáo. Hà Nội ,ngày 30 tháng 12 năm 2013. Sinh viên Trần Văn Bắc Nguyễn Trung Đức 3 MỤC LỤC Lời nói đầu:.. 2 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN .................................................................................... 4 CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ SẠC PIN KHÔNG DÂY..................................................................... 5 CHƯƠNG III : ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA SẠC KHÔNG DÂY........ 10 CHƯƠNG IV : ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SẠC PIN KHÔNG DÂY...... 12 CHƯƠNG V : KẾT LUẬN.14 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI : Sự phổ biến ngày càng tăng của người tiêu dùng pin các thiết bị như điện tử như máy nghe nhạc di động, điện thoại thông minh và máy tính bảng ..... đã dẫn đến một loạt các bộ năng lượng các thiết bị, tức là không có bất kỳ kết nối trực tiếp dây , đã được khoảng một thời gian nhưng hiện nay nhanh chóng được quan tâm để làm cho nó linh hoạt hơn và sử dụng được. Sạc cảm ứng là một phương pháp truyền điện không dây. Một hệ thống nguồn phát điện được đặt gần một lưu trữ điện hoặc hệ thống điện truyền tải. Một trường điện từ được tạo ra giữa hai đối tượng và năng lượng được chuyển sang một hệ thống khác. Sạc cảm ứng là một cách để truyền năng lượng từ một hệ thống chính sang một hệ thống phụ như là truyền điện từ lưới điện đến một biến địa phương. Nó được áp dụng trên nhiều loại hệ thống từ các thiết bị cầm tay nhỏ để các nền tảng robot và xe điện. Trong bài tìm hiểu này, nguyên lý hoạt động, thuận lợi, khó khăn và hạn chế của sạc không dây được sử dụng cho các thiết bị điện tử sẽ được thảo luận. Những tiến bộ mới trong quy nạp sạc cho giao thông vận tải cũng được xem xét trong bài tìm hiểu này. 5 II. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ TÌM HIỂU : 1. Mục tiêu: - Giải quyết vấn đề thiếu hụt pin như sạc có thể được cung cấp cho nhiều thiết bị với nhiều vị trí hơn. - Dễ dàng sạc các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, mong đợi không dây thiết bị gia dụng trong tương lai gần. - Áp dụng công nghệ sạc pin không dây cho xe điện với tốc độ cao và sạc từ chỗ đậu xe . Các công ty toàn cầu cạnh tranh để phát triển công nghệ điện không dây. 2.Nhiệm vụ: Chúng ta cần tìm hiểu nguyên lý hoạt động của công nghệ xạc pin không dây là như thế nào và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn. CHƯƠNG II TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO,NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ SẠC PIN KHÔNG DÂY Sạc không dây được mô tả chính xác hơn là "sạc cảm ứng" vì nó sử dụng cảm ứng từ. Lời giải thích ngắn gọn là nó dùng từ trường để truyền tải năng lượng, dòng điện từ ổ cắm điện trên tường di chuyển qua dây dẫn trong bộ sạc không dây, tạo ra từ trường. Từ trường tạo ra một dòng điện trong cuộn dây bên trong thiết bị. Cuộn dây này được kết nối với pin và các mấu nối của pin do đó nó đòi hỏi thiết bị phải có phần cứng thích hợp để hỗ trợ sạc không dây, một thiết bị mà không có cuộn dây thích hợp không thể sạc không dây. 6 I. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN KHÔNG DÂY: Công nghệ truyền tải điện không dây có thể được phân thành: điện cảm ứng, bức xạ điện từ, cộng hưởng từ và sóng điện từ. Trong khi các nhà sản xuất điện thoại thông minh hiện đang áp dụng điện công nghệ cảm ứng (giới hạn đến khoảng cách truyền dẫn), chúng ta tin rằng công nghệ cộng hưởng từ sẽ trở nên ngày càng phổ biến bởi vì những ưu điểm mà nó mạng lại . Có nhiều phương pháp truyền tải điện không dây như: Phương pháp Tính năng Chi tiết Khớp nối quy nạp điện từ - Khoảng cách: một vài mm - Tần số: 125kHz, 13.56MHz - Truyền tải điện: một vài watt - Giai đoạn phát triển: Hoàn thành - Tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn WPC - Sử dụng: điện thoại thông minh, máy tính bảng - Giá thành: Thấp - Hạn chế: Khoảng cách truyền ngắn - Cảm ứng điện từ dùng để chỉ một từ trường mà tạo ra dòng mới. Một bảng sạc cho phép một cuộn dây tạo ra một từ trường để nạp. Sau đó, một cuộn dây thứ hai trong một thiết bị cảm ứng sạc pin cho nó. - Hiệu quả truyền tải điện là hơn 90% và công nghệ không được coi là có hại cho con người. Tuy nhiên, khoảng cách truyền dẫn là ngắn. - Hiện nay tiêu chuẩn hóa và áp dụng cho smatphone hay máy tính bảng. Bức xạ điện từ - Khoảng cách: 1 ~ 10m - Tần số: 125kHz - Truyền tải điện: Lên đến 100 MW - Giai đoạn phát triển: Đang được phát triển - Tiêu chuẩn: N / A - Sử dụng RFID, cảm biến nhỏ - Hạn chế: Có hại đối với con người - Căn cứ vào bức xạ điện từ, công nghệ này có thể truyền tải lên đến 10m, nhưng nó kém hiệu quả do tính chất đa hướng của nó. Nâng cao sản lượng để bù đắp thiếu sót này có thể gây hại cho cơ thể con người. - Như vậy, nó chỉ thích hợp cho các ứng dụng như các mạng cảm biến không dây (WSN) và cảm biến (USN) tiêu thụ mức năng lượng thấp. 7 Khớp nối cộng hưởng từ - Khoảng cách: Một vài mét - Tần số: 10MHz - Giai đoạn phát triển: Được phát triển - Giá: Giá hợp lý - Hạn chế: Kích thước của cuộn dây cần phải được giảm. - Công nghệ này cho phép một cuộn dây phát một từ trường với một tần số cộng hưởng và sau đó truyền năng lượng cho một cuộn dây nhận với cùng tần số cộng hưởng. - Công suất có thể được truyền ngay cả với những trở ngại giữa máy phát và máy thu. Không giống như các bức xạ điện từ, nó không được coi là có hại cho cơ thể con người. - Công nghệ này được phát triển bởi Marin Soliacic tại MIT vào năm 2007 và được chọn là 1 trong những tương lai công nghệ hàng đầu của MIT. Mặc dù nỗ lực để thương mại hóa công nghệ này, nó đã được xem như là ít hiệu quả hơn so với các phiên bản khác của công nghệ truyền dẫn và khó khăn để thực hiện trên quy mô nhỏ hơn. Tuy nhiên, những tiến bộ về mặt kỹ thuật đã sẵn sàng cho việc thương mại hóa. - Hiệu quả của nó là khoảng 50% ở độ cao 2m, nếu được cài đặt trong các phòng cá nhân, các thiết bị di động có thể được sạc liên tục. Sóng cực ngắn - Khoảng cách lên đến 100 km -Tần số: một vài GHz (5.8GHz) - Truyền tải điện: công suất cao - Giai đoạn phát triển: được phát triển - Tiêu chuẩn: N / A - Sử dụng: hàng không vũ trụ - Công nghệ này sử dụng sóng cực ngắn để gửi tín hiệu thông qua một ăng-ten trên một khoảng cách dài. - Một nghiên cứu được tiến hành trong những năm 1960 bởi NASA cho các vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) dự án truyền tải điện năng lượng mặt trời đến trái đất - Nó đòi hỏi ăng-ten khổng lồ, và năng lượng có thể được hấp thụ bởi không 8 Và sạc pin không dây là 1 trong số đó. Hiện nay các nhà sản xuất sạc không dây trên thế giới đang sử dụng 2 phương pháp phổ biến là khớp nối quy nạp điện từ và khớp nối từ cộng hưởng bởi những ưu điểm của nó. II. CẤU TẠO: Một bộ sạc không dây cơ bản gồm có: Nguồn điện, bộ truyền tải điện, cặp truyền - nhận (gồm một nguồn phát và một nguồn nhận ). Quan trọng nhất của một bộ sạc không dây là cặp truyền – nhận. - Phía phát: Gồm một bảng mạch điện tử được đấu với một hoặc nhiều vòng dây. - Phía thu: Cấu tạo cũng giống như phía phát nhưng có chức năng ngược lại và cấu tạo nhỏ gọn hơn. Bộ phận thu ( phía thu ) Bộ phận phát ( phía phát ) - Hạn chế: có hại đối với con người khí hoặc bị cản trở bởi môi trường. Năng lượng được tạo ra lớn nên nó cũng có hại cho con người. 9 Sơ đồ của một bộ sạc không dây: Sơ đồ khối của sạc không dây bằng phương pháp cộng hưởng tần số Sơ đồ sạc không dây cho ô tô điện Trong bài tìm hiểu lần này chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ về công nghệ cộng hưởng từ bởi vì đây là công nghệ trong tương lai sẽ áp dụng cho hầu hết các loại sạc không dây cho các thiết bị. 10 III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Nguyên lý hoạt động chung của bộ sạc không dây sẽ dựa vào hai bộ phận phát và thu: - Phía phát (bộ sạc): Điện từ nguồn điện lưới được đưa vào mạch điện, điều chỉnh sao cho có công suất, dòng điện và tần số phù hợp nhất với tiêu chuẩn (Qi, A4WP, Wipower, với công nghệ hiện nay thì chủ yếu là theo tiêu chuẩn Qi ) và các mức công suất phát phù hợp với thiết bị thu. Dòng điện sau khi điều chỉnh sẽ chạy vào cuộn dây - thành phần chính để tạo ra từ trường cho sạc. - Phía thu (thiết bị sạc): Thực hiện quá trình ngược lại so với bộ phát, khi từ trường nhận được từ bộ phát thông qua cuộn dây thu sẽ được mạch điện xử lý và chuyển đổi lại thành điện năng để sạc pin cho thiết bị sạc. Các công nghệ sạc không dây có thể là cảm ứng từ hoặc tần số vô tuyến 1. Phía phát 2. Nguồn cấp 3. Môi trường 4. Phía thu 11 Ví dụ: Thông số kỹ thuật của 1 bộ sạc cho điện thoại - Mẫu: HKW00550-WA - Đầu vào: 5V/2000mA - Đầu ra: 5V/1000mA - Hiệu quả ≥70% - Kích thước: 118×61×11mm Một bộ sạc không dây tiêu chuẩn Qi CHƯƠNG III ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 1.1 Ưu điểm: Sạc cảm ứng có nhiều lợi ích. Một lợi ích chính là nó là không dây . Không có giới hạn về số lượng các thiết bị có thể xạc 1 lần. Do đó, các thiết bị có thể cùng xạc một lúc . Sạc cảm ứng có nguy cơ thấp hơn bị điện giật khi so sánh với sạc dẫn , bởi vì không có dây dẫn tiếp xúc. - Người dùng cũng không cần lo ngại các sự cố về điện (như chập mạch) có thể ảnh hưởng đến thiết bị điện tử của mình. - Công nghệ truyền tải điện không dây sẽ giải quyết vấn đề thiếu hụt pin cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính xách tay. Pin có thể được sạc tự động bằng cách sử dụng miếng đệm phí không dây. - Sạc có khả năng sẽ trở thành có thể cho các thiết bị di động từ các nhà sản xuất khác nhau thông qua không dây sạc miếng trong không gian công cộng như quán cà phê, sân bay, taxi, văn phòng, và nhà hàng. 12 - Công nghệ truyền tải điện không dây sẽ cho phép việc sử dụng các thiết bị gia dụng không dây như máy hút bụi và quạt điện và sử dụng hiệu quả hơn của không gian sẽ được có thể với việc loại bỏ các mạng lưới phức tạp của các loại cáp. - Trong khi sạc xe điện ở nhà là tốn thời gian, thời gian sạc có thể được rút ngắn bằng cách áp dụng công nghệ để xe điện cho tốc độ cao và sạc không dây sạc từ chỗ đậu xe. 1.2 Hạn chế: - Những nhược điểm chính của sạc cảm ứng là nhiệt và điện năng tiêu thụ. Do có nhiều cuộn dây và điện trở của cuộn dây là khá lớn nên bộ sạc không dây thường toả nhiều nhiệt. Quá trình này có khả năng tạo ra nhiệt rất lớn cho thấy lượng điện bị mất trong quá trình sạc. - Phải mất nhiều năng lượng hơn để xạc một thiết bị bình thường so với sạc trực tiếp với nguồn điện . Điều này là do sức mạnh bị mất điện trường được sử dụng để kết nối các cuộn dây. - Sạc cảm ứng cũng đòi hỏi thiết bị điện tử ổ đĩa và cuộn dây , tăng sự phức tạp và chi phí sản xuất . Sử dụng thiết bị chuyển mạch tần số cao trong các bộ điện tử có thể gây nhiễu ở gần thiết bị. - Hiệu quả không cao, so với sạc bình thường thì sạc không dây phải mất nhiều thời gian để sạc hơn và hiệu quả sạc là không cao. - Hệ thống có thể không làm việc hoặc những thiệt hại có thể tăng lên nếu có bất kỳ vật bằng kim loại ở giữa kết nối từ tính. Bức xạ từ có hại cho sức khỏe của người sử dụng . Tại các tần số quan tâm trong hệ thống IPT tối đa là 2,6 UT được phép tiếp xúc với cơ thể. Đây là một giới hạn tiếp xúc trung bình và nó đã được mô tả bởi Bảo vệ bức xạ Úc và Cơ quan An toàn hạt nhân ( ARPANSA ) . Tuy nhiên, hiện nay phương pháp tiếp cận mới hơn giảm tổn thất chuyển giao thông qua việc sử dụng các cuộn dây siêu mỏng, tần số cao hơn , và thiết bị điện tử tối ưu hóa ổ đĩa dẫn đến bộ sạc và thu hiệu quả hơn và nhỏ gọn , tạo điều kiện hội nhập của họ vào các thiết bị di động hoặc pin với thay đổi tối thiểu cần thiết . 13 CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SẠC PIN KHÔNG DÂY Các ứng dụng của cộng nghệ sạc pin không dây đã được phổ biến trong một số thiết bị tiêu dùng như xe điện, điện thoại di động, máy tính, ... vv đã được thử nghiệm trên các thiết bị y tế cấy ghép yêu cầu điện bên ngoài (thậm chí định kỳ liên tục), và cho các thiết bị vệ sinh điện, chẳng hạn như bàn chải đánh răng và cạo râu ,... mà thường được sử dụng gần hoặc thậm chí trong nước. Bên cạnh đó ngành giao thông vận tải là nguồn tiêu dùng lớn nhất của nhiên liệu hóa thạch trên toàn thế giới, lượng khí thải gây ô nhiễm và tiêu thụ chủ yếu do ngành giao thông vận tải gây ra. Hiện nay các nước đang làm mọi cách để giảm nhu cầu nhiên liệu hóa thạch cũng như cắt giảm khí thải ra môi trường. Trước tình hình đó, sự phát triển của xe điện trên toàn thế giới trong thập kỷ qua đã được các nước chú ý và bắt đầu phát triển. Xạc pin cho điện thoại 14 Bàn chải đánh răng Các thiết bị trong gia đình Sạc điện cho ô tô 15 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN Mặc dù công nghệ sạc không dây vẫn còn nhiều điểm cần khắc phục để có thể trở nên phổ biến và ứng dụng cho hầu hết các thiết bị điện. Tuy nhiên đây vẫn là một công nghệ mới, có ứng dụng thực tiễn cao. Mặt khác công nghệ sạc không dây đã được nghiên cứu và phát triển với nhiều sản phẩm trên thị trường, đặc biệt là smatphone và máy tính bảng. Hóa thạch sẵn có đang ngày càng cạn kiệt và chúng ta đang hạn chế dùng chúng trên toàn thế giới, các thiết bị sạc bị hỏng vứt hằng năm ngày càng một nhiều, điều đó đã thúc đẩy xe điện, các thiết bị điện tử phát triển không ngừng. Công nghệ này tuy còn mới ở Việt Nam nhưng chắc chắc trong tương lai không xa chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ này. Với vai trò là sinh viên tự động hoá, việc nghiên cứu công nghệ này là cần thiết và có thể sẽ phục vụ cho công việc sau này. Em xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Việt Sơn đã giao cho nhóm em một đề tài thật sự bổ ích, thầy đã tình giúp đỡ, hướng dẫn chúng em trong quá trình làm đề tài. Do kiến thức mới tìm hiểu nên có thể vấp phải nhiều thiếu sót, từ ngữ khoa học có thể chưa thật chính xác nên bài báo cáo có thể mắc phải sai sót mong thầy thông cảm. Hà nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013 Sinh viên Trần Văn Bắc Nguyễn Trung Đức