Tác giả Pramit Nandy và Vijay Bapu, Công ty Microchip
Ngành công nghiệp sản xuất đã phát triển trong suốt hơn 200 năm qua. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0) tập trung vào kết nối, tự động hóa, học máy và xử lý dữ liệu theo thời gian thực. Khi các ngành công nghiệp sản xuất khác nhau đang hướng tới CMCN 4.0, để duy trì năng lực cạnh tranh và cắt giảm chi phí, các nhà sản xuất đang tăng cường sử dụng thiết bị và giảm số nhân công trong các nhà máy.
Các nhà sản xuất đang đầu tư rất lớn vào robot di động tiên tiến trong các nhà máy (ví dụ như kho giao hàng của Amazon, các dây chuyền lắp ráp) và nhà kho để chúng đảm nhiệm phần lớn công việc xây dựng, lắp ráp và vận chuyển vật liệu. Tuy nhiên, những robot di động này đòi hỏi phải được sạc điện thường xuyên và đó là thách thức ngày càng lớn đối với các nhà máy công nghiệp. Hiện đã có một số cải tiến trong lĩnh vực sạc không dây giúp cho những rô-bốt này trở nên linh hoạt hơn, qua đó nâng cao năng lực sản xuất và hiệu quả của các nhà máy. Với sự kết hợp đúng đắn của việc lựa chọn linh kiện, thiết kế cuộn dây và bố trí bo mạch, công nghệ sạc không dây đang trở thành một yếu tố làm thay đổi cuộc chơi cho ngành sản xuất cũng như đang tác động đến toàn bộ nền kinh tế.
Công nghệ sạc không dây hoạt động như thế nào
Các giải pháp sạc không dây mới nhất sử dụng những kỹ thuật dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều được truyền qua một cuộn cảm ứng ở phía máy phát, nó sẽ tạo ra một từ trường dao động. Khi từ trường dao động này kết hợp với một cuộn cảm ứng ở phía máy thu, nó sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều trong cuộn dây bên nhận (xem Hình 2).
Hệ thống sạc không dây bao gồm một số thành phần như cuộn dây máy phát, tụ điện điều chỉnh, điều khiển cuộn dây và cuộn dây thu. Các thành phần khác bao gồm bộ chỉnh lưu diode, bộ chuyển đổi DC-DC, mạch điều khiển và thuật toán máy phát, máy thu, mạch sạc pin.
Trong ví dụ dưới đây, cảm ứng điện từ cho phép các hệ thống sạc không dây truyền năng lượng từ một tấm nguồn sạc đặt trên sàn nhà máy đến một tấm thu điện năng đặt trên robot di động.
Lợi ích của việc sạc không dây trên mặt bằng nhà máy
Các hệ thống sạc không dây hiện đại với hiệu suất cao hơn cùng các linh kiện được tối ưu hóa về mặt chi phí đã được chứng minh là một yếu tố thay đổi cuộc chơi trong môi trường nhà máy vì một số lý do. Đầu tiên, chúng góp phần nâng cao năng suất và cắt giảm chi phí sản xuất bằng nhiều cách khác nhau. Chúng đảm bảo hoạt động liên tục nhờ khả năng sạc điện trong thời gian rỗi và cắt giảm đầu tư vì robot có thể được sử dụng cho nhiều hoạt động khác nhau. Chúng cũng hạ thấp yêu cầu về sự can thiệp của con người vì quá trình sạc có thể được tự động hóa. Chi phí bảo trì cũng thấp hơn nhờ có thể loại bỏ bớt cáp và các đầu nối, vv…, tạo thành một giải pháp hoàn toàn không tiếp xúc.
Thứ hai, các hệ thống sạc này gia tăng tính an toàn và bảo mật. Chúng loại bỏ nguy cơ tia lửa điện gây ra bởi các đầu nối và hiện tượng đoản mạch do nhiễm bẩn hoặc hơi ẩm bên trong. Các lợi ích khác về mặt an toàn bao gồm khả năng của giải pháp trong việc phát hiện các mảnh vụn kim loại và vật thể lạ nằm giữa cuộn dây của máy phát và máy thu. Ngoài ra, cũng có thể dễ dàng thực hiện xác thực an toàn giữa bộ sạc và robot để tránh truy cập trái phép. Hoạt động truyền dữ liệu trong quá trình sạc có thể được sử dụng để thực hiện bảo trì mang tính phòng ngừa để tránh xảy ra gián đoạn hoạt động. Các lợi ích khác bao gồm hệ thống sạc không dây có thể bảo trì dễ dàng và làm cho sàn nhà máy trở nên gọn gàng hơn nhiều so với hệ thống sạc có dây. Đây là một đóng góp quan trọng cho môi trường nhà máy hoàn toàn tự động, giảm thiểu sự can thiệp của con người và giúp tạo ra một môi trường an toàn hơn nhờ khả năng ngăn chặn sự lây lan các căn bệnh truyền nhiễm như COVID-19 giữa người lao động với nhau).
Vượt qua những thách thức trong việc triển khai sạc không dây
Với những lợi thế của nó, công nghệ sạc không dây trong môi trường nhà máy có tiềm năng nâng ngành sản xuất lên một tầm cao mới và vượt qua những rào cản lớn. Tuy nhiên, công nghệ sạc không dây cũng có một số thách thức như: yêu cầu cầu đầu tư tương đối cao để triển khai cơ sở hạ tầng sạc không dây so với hệ thống sạc có dây truyền thống, hiệu suất thấp hơn cùng các vấn đề quan ngại về can nhiễu điện từ trường (EMI). Ngoài ra còn có các vấn đề an toàn liên quan đến quá nhiệt nếu có vật thể lạ kẹt giữa cuộn dây máy phát và máy thu. Việc quản lý chi phí danh mục vật liệu (BOM) và lựa chọn linh kiện có ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Trong bộ phát điện không dây, vòng lặp quan trọng cho các dòng chuyển mạch trong hệ thống điện không dây công suất lớn bao gồm các công tắc nguồn, tụ điện và cuộn dây cộng hưởng. Vòng lặp này liên quan đến điện áp cao, dòng điện mạnh và tần số chuyển mạch cao. Việc bố trí PCB, vị trí đặt linh kiện và định tuyến trong hệ thống truyền tải điện không dây công suất cao này ảnh hưởng đến hiệu quả, hiệu suất EMI và tản nhiệt, từ đó tác động đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra còn có những thách thức liên quan đến sự biến động thông số cuộn dây do sự không đồng nhất trong sản xuất. Sự không đồng nhất giữa các cuộn dây có thể dẫn đến sự không đồng nhất giữa các sản phẩm gây ra hoạt động không nhất quán và hiệu suất không tin cậy trong hoạt động thực tế.
Mặc dù có thể sử dụng các linh kiện đa dụng phổ thông để phát triển giải pháp sạc không dây nhưng chúng không thể hoạt động tốt bằng những thiết bị chuyên dụng chỉ thực hiện một chức năng. Các giải pháp cũng có thể khác nhau về chi phí và hiệu quả tùy thuộc vào việc lựa chọn linh kiện và cách bố trí bo mạch. Có nhiều cách để tối ưu hóa các giải pháp sạc không dây hiện nay.
Xây dựng một giải pháp tối ưu
Các thiết bị chuyên dụng chỉ thực hiện một chức năng được sử dụng để tối ưu hóa giải pháp sạc không dây sao cho có thể giải quyết những thách thức trong việc triển khai nguồn điện không dây an toàn, đáng tin cậy, hiệu quả ở mức công suất cao. Một bước đi quan trọng là tối ưu hóa mạch máy phát và máy thu của giải pháp chạy các thuật toán có mức độ chuyên dụng cao để liên lạc, điều khiển nguồn và Phát hiện các vật thể lạ (FOD). Các thuật toán này dựa trên hoạt động nghiên cứu phát triển mạnh mẽ và và nhiều bằng sáng chế.
Lý tưởng nhất là hoạt động giao tiếp trong giải pháp sạc không dây phải được thực hiện trong băng tần, từ đó tránh được việc làm tăng chi phí hệ thống do các cơ chế giao tiếp ngoài băng. Hãy tìm kiếm tần số truyền tải điện trong phạm vi xung quanh 100KHz. Việc điều khiển công suất nên được thực hiện bằng cách sử dụng điều khiển tần số và chu kỳ thay đổi của PWM điều khiển biến tần cầu đầy đủ trong máy phát. Ở mức công suất cao, FOD có vai trò rất quan trọng. Trong phương pháp này, việc truyền điện được tạm dừng trong khoảng thời gian vài micro giây và điện áp cuộn dây được đo bằng cách sử dụng các thiết bị ngoại vi và lõi của giải pháp. Sự hiện diện (hoặc không hiện diện) của một vật thể lạ được xác định bằng cách tính toán độ dốc của điện áp cuộn dây khi FET đầu ra bị tắt.
Tất cả các linh kiện của giải pháp, bao gồm bộ điều khiển, FET, bộ điều chỉnh và cuộn dây, phải được chọn sao cho chi phí phù hợp với tổng ngân sách hệ thống, có thể cần bao gồm các tiếp điểm kim loại cao cấp để đảm bảo độ tin cậy trong môi trường ẩm hoặc bụi. Hiệu suất của giải pháp phụ thuộc vào cả sơ đồ điều khiển công suất và thiết kế cuộn dây tối ưu. Một ví dụ là giải pháp WP300 của Microchip, với thiết kế có thể đạt được hiệu suất trên 90% ở mức tải trên 100 Watts. Hiệu suất này được đo từ đầu vào DC đến máy phát đến đầu ra DC được chỉnh lưu của máy thu. Giải pháp có thể hoạt động ở điện áp đầu vào 12-36 V DC và có thể điều chỉnh đến một dải điện áp tương tự ở phía máy thu.
Cách sắp xếp PCB, vị trí linh kiện và các lớp mạch in trong giải pháp tham chiếu dựa trên WP300 đã được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tốt nhất. PCB được thiết kế sao cho phần kỹ thuật số, phần analog và phần nguồn được cách ly, do đó xuyên nhiễu được giảm thiểu.
Nhiễu điện từ trường (EMI) cũng được giảm thiểu bằng cách sử dụng các phương pháp điều khiển thích hợp trong máy phát và sử dụng tối ưu các tụ điện cách ly để giảm nhiễu chuyển mạch, cùng vớiviệc giảm tần số chuyển mạch. Các tụ điện cách ly làm giảm xuyên nhiễu chuyển mạch nhưng lại tăng tổn hao dẫn đến tỏa nhiệt cao hơn và giảm hiệu quả. Điều quan trọng là phải xem xét những đánh đổi này nhằm tối ưu hóa thiết kế.
Các thông số cuộn dây có thể được hiệu chuẩn trong quá trình lắp ráp trên dây chuyền sản xuất. Lợi ích của giải pháp là dữ liệu hiệu chuẩn cuộn dây được ghi vào WP300TX IC trong quá trình thử nghiệm sản phẩm. Điều này đảm bảo hoạt động nhất quán của tất cả sản phẩm và hiệu suất tin cậy. Cuối cùng, hãy ghép nối 1:1 giữa máy phát và máy thu, nội dung liên lạc an toàn có thể được thực hiện trong băng tần để đảm bảo chỉ các thiết bị thu được xác thực bởi máy phát mới được cấp nguồn. Hình 4 trình bày sơ đồ khối của bộ điều khiển máy phát 300W và bộ điều khiển máy thu 300W đã được tối ưu hóa để đạt được các khả năng này.
Máy phát 300W
Máy thu 300W
Các nhà phát triển hệ thống nên làm việc với một nhà cung cấp có khả năng cung cấp các hướng dẫn chi tiết về sử dụng giải pháp sạc không dây, bao gồm lựa chọn linh kiện, thiết kế cuộn dây và bố trí bo mạch. Các nhà cung cấp cũng cần cung cấp hướng dẫn từng bước để đảm bảo thực hiện liền mạch sản phẩm cuối cùng. Với cách tiếp cận đó, các nhà phát triển có thể tiết kiệm thời gian, giảm thiểu rủi ro và đơn giản hóa thiết kế bộ sạc không dây của mình để khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ cảm ứng điện từ, nâng cao năng suất, hạ thấp chi phí sản xuất và gia tăng mức độ an toàn và bảo mật.
