Încărcarea fără fir explicată: Ce este și cum funcționează?

Vasile_Botog

Tehnologia de încărcare fără fir (wireless) există de peste 100 de ani, dar includerea acesteia în dispozitive precum noua linie iPhone de la Apple i-a dat un nou impuls. Iată cum funcționează și de ce ar putea apărea în curând în orice, de la case la roboți.

Încărcarea fără fir există încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea, când pionierul electricității Nikola Tesla a demonstrat cuplarea magnetică rezonantă – capacitatea de a transmite electricitate prin aer prin crearea unui câmp magnetic între două circuite, un emițător și un receptor.

Dar timp de aproximativ 100 de ani a fost o tehnologie fără prea multe aplicații practice, cu excepția, poate, pentru câteva modele de periuțe de dinți electrice.

În prezent, există aproape o jumătate de duzină de tehnologii de încărcare fără fir, toate având ca scop eliminarea cablurilor în orice domeniu, de la smartphone-uri și laptopuri la aparate de bucătărie și mașini.

Încărcarea fără fir face progrese în domeniul sănătății, al industriei auto și al producției, deoarece oferă promisiunea unei mobilități sporite și progrese care ar putea permite dispozitivelor mici de tip Internet of Things (IoT) să primească energie la mulți metri distanță de un încărcător.

Cele mai populare tehnologii fără fir utilizate în prezent se bazează pe un câmp electromagnetic între două bobine de cupru, ceea ce limitează foarte mult distanța dintre un dispozitiv și o placă de încărcare. Acesta este tipul de încărcare pe care Apple l-a încorporat în iPhone 8 și iPhone X.

Cum funcționează încărcarea fără fir

În linii mari, există trei tipuri de încărcare wireless, potrivit lui David Green, manager de cercetare la IHS Markit. Există suporturi de încărcare care utilizează o încărcare electromagnetică inductivă sau non-radiativă strâns cuplată; boluri de încărcare sau încărcătoare de tip "through-surface" care utilizează o încărcare rezonantă electromagnetică cuplată liber sau radiativă care poate transmite o încărcare la câțiva centimetri; și încărcarea fără fir prin radiofrecvență (RF) care permite o capacitate de încărcare de tip "trickle charging" la distanțe de mulți metri.

Atât încărcarea inductivă cu cuplaj strâns, cât și încărcarea rezonantă cu cuplaj liber funcționează pe baza aceluiași principiu fizic: un câmp magnetic variabil în timp induce un curent într-o buclă închisă de sârmă.

Funcționează în felul următor: O antenă cu buclă magnetică (bobină de cupru) este utilizată pentru a crea un câmp magnetic oscilant, care poate crea un curent în una sau mai multe antene de recepție. Dacă se adaugă capacitanța corespunzătoare, astfel încât buclele să rezoneze la aceeași frecvență, cantitatea de curent indus în receptoare crește. Aceasta este încărcarea inductivă rezonantă sau rezonanța magnetică; ea permite transmiterea de energie la distanțe mai mari între emițător și receptor și crește eficiența. Dimensiunea bobinei afectează, de asemenea, distanța de transfer de putere. Cu cât bobina este mai mare sau cu cât există mai multe bobine, cu atât distanța pe care o poate parcurge o sarcină este mai mare.

În cazul suporturilor de încărcare fără fir pentru smartphone-uri, de exemplu, bobinele de cupru au un diametru de numai câțiva centimetri, ceea ce limitează foarte mult distanța pe care energia poate fi transmisă în mod eficient.

Dar atunci când bobinele sunt mai mari, se poate transfera mai multă energie fără fir. Aceasta este abordarea la cărei adoptare de pionierat a ajutat WiTricity, o companie formată în urma cercetărilor efectuate la MIT în urmă cu un deceniu. Aceasta licențiază tehnologia rezonantă cu cuplaj liber pentru orice, de la automobile și turbine eoliene până la robotică.

În 2007, profesorul de fizică Marin Soljačić, de la MIT, a demonstrat că poate transfera electricitate la o distanță de doi metri; la acea vreme, transferul de energie era eficient doar cu 40% la această distanță, ceea ce înseamnă că 60% din energie se pierdea pe parcurs. Soljačić a înființat compania WiTricity mai târziu în același an pentru a comercializa tehnologia, iar eficiența transferului de energie a crescut mult de atunci.

În sistemul de încărcare auto al WiTricity, bobinele mari de cupru - cu diametrul de peste 25 de centimetri pentru receptoare - permit un transfer eficient de energie pe distanțe de până la 25 de centimetri. Utilizarea rezonanței permite transmiterea unor niveluri ridicate de putere (până la 11 kW) și o eficiență ridicată (mai mare de 92% de la un capăt la altul), potrivit lui Morris Kesler, directorul tehnic al WiTricity. WiTricity adaugă, de asemenea, condensatori la bucla conductoare, ceea ce sporește cantitatea de energie care poate fi captată și utilizată pentru a încărca o baterie.

Sistemul nu este doar pentru mașini. Anul trecut, producătorul japonez de robotică Daihen Corp. a început să livreze un sistem de transfer de energie fără fir bazat pe tehnologia WiTricity pentru vehiculele cu ghidaj automat (AGV). AGV-urile echipate cu sistemul de încărcare fără fir D-Broad de la Daihen se pot opri pur și simplu la o zonă de încărcare pentru a se alimenta cu energie și apoi își pot continua sarcinile din depozit.

În timp ce încărcarea la distanță are un mare potențial, până în prezent, încărcarea fără fir pentru public a rămas la nivelul suporturilor de încărcare.

"În ceea ce privește progresul și gradul de pregătire a industriei, suporturile de încărcare au fost livrate în volum mare încă din 2015; bolurile de încărcare / sistemele cu tipul de încărcare prin suprafață se lansează cu adevărat abia în acest an; iar încărcarea la nivelul unei încăperi este probabil încă la cel puțin un an distanță de realitatea comercială de mare volum - deși noile produse Energous arată că această metodă funcționează pe o distanță foarte scurtă chiar acum, de exemplu, câțiva centimetri", a spus Green.

Puțin peste 200 de milioane de dispozitive cu încărcare wireless au fost livrate în 2016, aproape toate utilizând o formă de design de tip inductiv (suport de încărcare).

În septembrie, Apple a ales în cele din urmă o tabără, după ce a rămas ani de zile în urma altor producători de telefoane mobile, adoptând standardul Qi al WPC, același pe care Samsung și alți producători de smartphone-uri Android îl folosesc de cel puțin doi ani.

Prima clasă de încărcătoare fără fir pentru dispozitive mobile a apărut în urmă cu aproximativ șase ani; acestea foloseau încărcarea prin cuplare strânsă sau inductivă, care presupune ca utilizatorii să plaseze un smartphone într-o poziție exactă pe un suport pentru ca acesta să se încarce.

"După părerea mea, alinierea exactă pentru a se încărca nu vă economisește prea mult efort față de simpla conectare", a declarat Benjamin Freas, analist principal la Navigant Research.

În timp ce primii adoptatori și tehnicienii au aderat la încărcarea inductivă, alții nu au făcut-o, a spus Freas.

În septembrie 2012, Nokia 920 a devenit primul telefon inteligent disponibil pe piață care oferă capacități de încărcare wireless încorporate pe baza specificației Qi.

Lupta pentru standardele de încărcare wireless

Timp de mai mulți ani, au existat trei grupuri concurente de standarde de încărcare fără fir, axate pe specificațiile de încărcare prin inducție și rezonanță: Alliance for Wireless Power (A4WP), Power Matters Alliance (PMA) și Wireless Power Consortium (WPC). Printre cei 296 de membri ai acestuia din urmă se numără Apple, Google, Verizon și un adevărat "who's who" al producătorilor de electronice.

WPC a creat cel mai popular dintre standardele de încărcare fără fir - Qi (pronunțat "ci") - care permite încărcarea prin inducție sau în stil pad și încărcarea inductivă prin rezonanță electromagnetică pe distanțe scurte (1,5 cm sau mai puțin). Standardul Qi este utilizat de Apple.

PMA și specificația sa de încărcare inductivă Powermat a avut succes prin introducerea tehnologiei sale de încărcare fără fir în cafenele și aeroporturi. Starbucks, de exemplu, a început să distribuie suporturi de încărcare fără fir în 2014.

Cu standarde concurente, suportul pentru dispozitivele mobile a rămas fragmentat, majoritatea dispozitivelor mobile având nevoie de o carcasă adaptabilă pentru a permite o încărcare fără fir.

În 2015, A4WP și PMA au decis să se unească pentru a forma AirFuel Alliance, care are acum 110 membri, printre care se numără Dell, Duracell, Samsung și Qualcomm.

Ca parte a AirFuel Alliance, Duracell Powermat susține că are peste 1.500 de puncte de încărcare în SUA și, prin intermediul parteneriatului PowerKiss al Powermat, 1.000 de puncte de încărcare în aeroporturile, hotelurile și cafenelele europene. AirFuel a anunțat, de asemenea, încărcarea wireless în unele restaurante McDonald's. Potrivit lui Freas, aceasta este o modalitate prin care încărcarea fără fir ar putea fi adoptată pe scară mai largă.

AirFuel se concentrează pe rezonanța electromagnetică și RF

AirFuel s-a concentrat pe două tehnologii de încărcare: rezonanța electromagnetică și frecvența radio, care oferă posibilitatea de a te deplasa într-un spațiu și de a avea în continuare dispozitivul mobil la încărcat.

"Am văzut indicatori de piață clari că rezonanța și RF sunt calea de urmat. Ambele tehnologii oferă avantaje distincte în ceea ce privește libertatea spațială, ușurința de utilizare și ușurința de instalare - factori importanți în crearea de valoare pe piață și satisfacția clienților", a declarat purtătorul de cuvânt al AirFuel, Sharen Santoski. "Și credem că rezonanța este cea mai bună tehnologie pentru a permite implementarea pe scară largă a infrastructurii publice pe termen scurt."

Ca urmare, a spus Santoski, un număr tot mai mare de cafenele, restaurante și aeroporturi au implementat stații de încărcare wireless bazate pe rezonanță. "Taiwanul investește masiv, la fel ca și China", a spus Santoski.

AirFuel a anunțat recent un proiect cu metroul de la aeroportul Taoyuan, care pune în funcțiune încărcarea cu rezonanță în trenurile și stațiile sale. Iar producătorul de mobilă Order Furniture a creat o nouă linie de mobilier cu încărcare prin rezonanță.

"Dacă sistemul este disponibil în fiecare restaurant și cafenea, atunci oamenii vor fi mai predispuși să îl folosească și să își ia un pad pentru a-l încărca acasă", a spus Freas.

Cele mai multe dintre aceste proiecte sunt încă doar programe pilot, a spus Freas, adăugând că este mai puțin probabil ca atât consumatorii, cât și întreprinderile să dorească o încărcare cu cuplare strânsă și mai degrabă să opteze pentru o încărcare rezonantă cu cuplaj liber. Acest lucru se datorează faptului că încărcarea cu cuplare liberă oferă mai multă libertate spațială - posibilitatea de a lăsa pur și simplu un telefon, o tabletă sau un laptop pe un birou și de a le încărca.

WiTricity și încărcarea fără fir în vehicule

În iulie, Dell a lansat un laptop Latitude care încorporează încărcarea wireless rezonantă de la WiTricity, o companie cu sediul în Watertown, Massachusetts, care deține licențe pentru tehnologia dezvoltată inițial la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT). Încărcătorul fără fir Dell oferă o putere de încărcare de până la 30 W, astfel încât un laptop Latitude se va încărca la aceeași capacitate ca și cum ar fi conectat la o priză de perete.

Dar principalul obiectiv al WiTricity este industria auto. Compania, care face parte din AirFuel Alliance, se așteaptă ca o serie de producători de mașini electrice să anunțe încărcarea wireless pentru vehiculele lor, potrivit lui Alex Gruzen, CEO-ul WiTricity.

Tehnologia de rezonanță electromagnetică a companiei permite transferul de energie la distanțe de până la aproximativ 25 de centimetri de la o placă de încărcare. Acest lucru ar permite mașinilor electrice să se încarce doar prin parcarea deasupra unei plăci de încărcare mari.

De exemplu, Mercedes-Benz va lansa în acest an sedanurile hibride plug-in S550e cu capacitatea de a utiliza tehnologia WiTricity; S550e poate parca pur și simplu deasupra unei plăci de încărcare și acestea încep să se încarce chiar mai eficient decât dacă ar fi conectate la priză.

Aplicația pentru vehicule electrice este customizată pentru încărcarea prin rezonanță electromagnetică, a declarat Kesler. Acest lucru se datorează faptului că un vehicul nu are nevoie de un cablu de încărcare, iar suportul de încărcare fără fir furnizează electricitate mai eficient decât un cablu. (Sistemele de încărcare prin cablu folosesc componente electronice pentru a converti curentul alternativ în curent continuu și pentru a regla fluxul de energie, reducând eficiența la aproximativ 86%, a spus Kesler).

"Încărcarea noastră fără fir poate avea o eficiență de 93% de la un capăt la altul - de la perete până la ceea ce este livrat la baterie", a spus Kesler.

Încărcarea fără fir la distanță

În această lună, Apple a surprins unii observatori din industrie prin achiziționarea PowerByProxi, o companie cu sediul în Noua Zeelandă care dezvoltă o tehnologie de încărcare rezonantă cu cuplaj liber, bazată, de asemenea, pe specificația Qi.

PowerbyProxi a fost fondată în 2007 de către antreprenorul Fady Mishriki, ca un spin-out al Universității din Auckland. PowerByProxi a prezentat casete și boluri de încărcare în care pot fi introduse și încărcate mai multe dispozitive în același timp.

Compania cu sediul în Aukland și-a început activitatea vânzând sisteme la scară largă pentru industriile construcțiilor, telecomunicațiilor, apărării și agriculturii. Un astfel de produs este un sistem de control fără fir pentru turbine eoliene.

De asemenea, PowerByProxi, membră a comitetului director al WPC, și-a miniaturizat tehnologia și a plasat-o în baterii AA reîncărcabile, eliminând necesitatea de a încorpora tehnologia direct în dispozitive. Tehnologia fără fir ocupă aproximativ 10% din înălțimea bateriei AA.

Apple ar putea folosi tehnologia PowerByProxi pentru a extinde utilizarea încărcării wireless dincolo de smartphone-uri, folosind-o, de exemplu, pentru a încărca telecomenzile televizoarelor, perifericele calculatoarelor sau orice alt dispozitiv care necesită baterii.

În timp ce cea mai vizibilă utilizare a tehnologiei de încărcare fără fir a fost cea a suporturilor de încărcare a dispozitivelor mobile, tehnologia face, de asemenea, incursiuni în orice, de la roboți de depozit la dispozitive IoT mici care, altfel, ar trebui să fie conectate prin cablu sau alimentate de baterii înlocuibile.

Atât Ossia, cât și Energous au demonstrat încărcarea fără fir la o distanță mai mare de 3 metri. Încărcătorul Ossia poate trimite aproximativ doi wați până la o distanță de câțiva metri, dar această putere scade rapid pe măsură ce distanța crește. Cu toate acestea, chiar și la 10 metri, cantitatea de energie care poate fi transmisă este "semnificativă", potrivit directorului general al Ossia, Mario Obeidat, referindu-se la alimentarea treptată a dispozitivelor pentru a le menține încărcarea.

"Să spunem că sunt într-un birou timp de opt până la 10 ore pe zi și primesc o jumătate de watt sau un watt de energie; îmi încarcă dispozitivul tot timpul", a spus Obeidat. "Deci, dacă durează cinci ore pentru a încărca complet acel dispozitiv, este în regulă, pentru că ești acolo tot timpul".

"Le-am folosit pe amândouă [Ossia și Energous]; tehnologia funcționează", a declarat Rob Rueckert, director general la Sorenson Capital, o firmă de capital privat și de capital de risc, într-un interviu anterior acordat Computerworld.

Rueckert consideră că încărcarea la distanță este o tehnologie mai convingătoare decât suporturile de încărcare sau chiar decât casetele de încărcare, care necesită în continuare ca dispozitivele mobile să fie conectate relativ aproape de o sursă de încărcare.

Atât sistemul WattUp de la Energous, cât și sistemul de încărcare a dispozitivelor mobile Cota de la Ossia funcționează ca un router wireless, trimițând semnale de radiofrecvență (RF) care pot fi recepționate de dispozitivele portabile și de telefoanele mobile activate. O mică antenă RF sub formă de placă PCB, un ASIC și un software alcătuiesc receptoarele de alimentare fără fir.

Utilizând un cip de gestionare multi-antenă cu o dimensiune de aproximativ 4x4 mm, transmițătorul de putere Cota poate fi încorporat într-o varietate de factori de formă, de la panourile de tavan la mese, birouri, sticlă, televizoare și tablouri de bord ale automobilelor.

Transmițătorul detectează automat dispozitivele compatibile Cota și include o unitate de detectare a temperaturii pentru a preveni supraîncălzirea.

"Noi o numim putere reală fără fir", a declarat Obeidat. "Diferența dintre tehnologia noastră și altele de pe piață, cum ar fi Qi, este că putem furniza energie semnificativă de la distanță. Celelalte necesită să vă plasați dispozitivul pe pad. Deci, efectiv trebuie să renunți la dispozitiv pentru a-l încărca."

Obeidat susține, de asemenea, că încărcarea Cota poate funcționa prin pereți, la fel ca un router Wi-Fi.

"Tehnologia noastră este agnostică. Puteți să vă imaginați că aveți un emițător în cameră unde alimentează un smartphone, o tabletă sau un ceas inteligent, toate în același timp", a declarat Obeidat.

Ossia și-a aplicat tehnologia pe etichete electronice pentru produsele de pe rafturile magazinelor. Etichetele îi pot informa pe cumpărători cu privire la detaliile produselor sau la vânzări, fără a fi nevoie ca lucrătorii să plaseze semne fizice sau să schimbe autocolantele de preț.

În timp ce unii și-au bătut joc de ideea de a transmite doar câțiva wați de energie la distanță, investitorii au luat ideea în serios. De exemplu, Energous, cu sediul în Pleasanton, California - un membru AirFuel - a strâns aproximativ 25 de milioane de dolari atunci când a devenit public în 2014.

Încărcătorul WattUp al Energous folosește specificația de comunicare fără fir Bluetooth. La fel ca tehnologia Cota de la Ossia, cantitatea de putere pe care WattUp o poate trimite este limitată. Prin urmare, Energous se concentrează pe alimentarea cu energie a dispozitivelor mobile mici, mai degrabă decât a laptopurilor sau a bateriilor care necesită capacități mai mari.

Un singur emițător WattUp poate încărca până la 24 de dispozitive, toate sub controlul unui software care activează sau dezactivează încărcarea, potrivit Energous. Cantitatea maximă de energie - 4 wați - poate fi livrată doar la patru dispozitive simultan. Pe măsură ce mai multe dispozitive "autorizate" intră într-o cameră, încărcarea fiecărui dispozitiv scade.

Un potențial obstacol în calea adoptării încărcării fără fir la distanță este faptul că nici cel de la Ossia, nici cel de la Energous nu pot încărca dispozitive compatibile cu Qi; tehnologia este brevetată.

Este doar începutul

Green consideră că Qi și Powermat reprezintă un început excelent, dar subliniază că tehnologia nu este complet wireless. "Qi a inițiat discuția despre alimentarea fără fir. Există o nevoie importantă de educare a consumatorilor cu privire la ceea ce este posibil", a spus el.

Începând cu un suport de încărcare Qi, utilizatorii pot începe să accepte premiza alimentării fără fir și vor cere în curând o soluție mult mai flexibilă și mai robustă: alimentare la distanță cu flexibilitatea de a utiliza dispozitivul în timp ce îl încarcă.

"Un lucru este clar: în 2017 nu vom vedea un dispozitiv care să ofere încărcare wireless de viteză maximă în întreaga cameră", a spus Green. "În schimb există două aspecte în balanță, încărcarea la aceeași viteză ca prin fir, dar pe un suport de încărcare, sau poate încărcarea de tip trickle charging foarte lent, dar la o distanță mai mare."