Må kraften vara med dig och dina enheter. Trådlös laddare

Den berömda Nikola Tesla var besatt av en idé. Han föreställde sig att elektricitet kunde överföras trådlöst, genom luften över långa avstånd, eller med hjälp av torn organiserade i ett nätverk (1). Allt gick inte enligt plan, eftersom hans vision tog för mycket energi. Teslas ambitioner förverkligades inte, men själva teorin motbevisades inte.

En artikel som publicerades i januari 2021 i tidskriften Nature föreslog att de omedvetet skulle kunna bygga det Tesla misslyckades med att bygga vid XNUMX-talets början - ett "trådlöst elnät" som kunde anpassas för att ladda eller driva små inbyggda enheter i bilar , hem. , jobb och fabriker.

Eftersom 5G är beroende av ett tätt nätverk av master och antenner, är det möjligt att samma infrastruktur, med vissa modifieringar, kan överföra ström till mindre enheter. Systemet kommer dock fortfarande att lida av samma problem som Teslas torn hade – höga energiförluster.

Designade för användning kan de bära både internetuppkoppling och el. I experimenten användes nya typer av antenner för att underlätta trådlös laddning. I labbet använde forskarna 5G-länkar för att överföra kraft över ett relativt kort avstånd på drygt två meter, men de förväntar sig att nästa version av deras enhet ska kunna sända 6 mikrowatt (6 miljondelar av en watt) över ett avstånd på 180 meter. Detta är fortfarande inte tillräckligt. Det räcker inte att ladda din telefon. Den kan dock ladda eller ström IoT-enheter, sensorer och larm. Fabriker kan använda hundratals IoT-sensorer för att övervaka lager, förutsäga utrustningshaveri eller spåra rörelsen av delar längs en produktionslinje.

För att tillhandahålla trådlös ström på denna nivå, 5G master de måste vara minst 31 kW, vilket motsvarar tio vattenkokare med kontinuerligt kokande vatten. Även om rädslan för att 5G kan orsaka cancer har avfärdats av forskare, kan mängden energi som kommer från masterna vara farlig. Säkerhetsföreskrifter kräver att användarna håller ett minsta avstånd på 16 meter från master. Denna teknik är bara i sin linda.

Möjliga framtida lösningar, om inte nya antenner med smalare och mer fokuserade strålar kan avsevärt minska mängden energi som krävs för att driva systemet. Nyligen utvecklade en grupp forskare från Georgia Institute of Technology en liten, 3D-printad likriktarantennsom kan skörda elektromagnetisk energi från 5G-nätverkssignaler och använda den för att driva enheter. Den flexibla antennen, vars design är baserad på Rothman-linser, kan samla in millimetervågor i 28 GHz-området. Elektromagnetisk vågenergi den överförs till laddaren och överförs trådlöst till exempelvis bärbar elektronik eller IoT-moduler.

Lösningar som de som beskrivs ovan testas redan på vissa platser runt om i världen. Powerco, näst störst kraftfördelare I Nya Zeeland testar ett pilotprogram Emrod-systemet, som använder rektennor för att fånga vågor i band av det elektromagnetiska spektrumet som motsvarar frekvenser som Wi-Fi eller Bluetooth, och sedan överför elektrisk energi i mikrovågsområdet från en punkt till en annan (2). Samtidigt övervakar små lasrar likriktarantennerna för att upptäcka eventuella hinder mellan reläpunkterna. "Vi har utvecklat teknologi för trådlös kraftöverföring över långa avstånd", säger Emrods grundare Greg Kushnir.

2. Jämförelse mellan installation av Emrods trådlösa kraftöverföringssystem med ett typiskt överföringsnätverk

projekt trådlös kraftöverföring de når yttre rymden på ännu större avstånd. Som det visade sig nyligen, den mystiska Mini skyttel X-37B den används också av Pentagon för att testa tekniker för att överföra energi över avstånd och leverera den till olika enheter. X-37B har en speciell platta med en diameter på 30 centimeter, som är designad för att omvandla solenergi till mikrovågsenergi. Det rapporteras att resultaten av PRAM-FX-experimentet förvånade forskarna mycket. Konverteringseffektiviteten är mycket högre än förväntat.

Vad är Pentagons plan? Armén vill trådlöst skicka enorma mängder energi från omloppsbana till jorden och sedan runt om i världen. Fördelen med denna teknik är att den inte är rädd för ens de värsta väderförhållandena. Forskare ser dess användning inte bara i baser på Mars eller månen, där det skulle vara möjligt att producera energi på ett ställe och sedan skicka den till avlägsna baser, utan även på jorden, till exempel, för att överföra energi mellan avlägsna objekt.

Pentagonen byggs för närvarande. rymdskepp som heter Arachne i Solsystemet Helios. Fartyget kommer att utrustas med speciella solplattor och ett system för att överföra energi till orbitalfordon, såväl som till jorden. Enheten ska skickas ut i rymden 2023. Den amerikanska armén planerar att bygga flera solgårdar i jordens omloppsbana på 20-talet, där energi kan produceras och skickas till jorden eller drivas av rymdinstallationer.

Liknande gårdar kommer också att byggas i månens och Mars omloppsbana, eftersom NASA också är involverad i projektet.

Induktion eller vågor

Med "trådlös laddning" menar vi processen laddning av elektriska enheter och utrustning som drivs på batterier utan behov av en trådbunden elektrisk anslutning. Generellt sett finns det tre typer av laddning: induktiv, resonant och radio.

Induktiv laddning använder det fysiska fenomenet elektromagnetisk induktion. När växelström passerar genom en induktionsspole i en laddstation skapar den rörliga elektriska laddningen ett magnetfält vars styrka fluktuerar.

Detta växelmagnetiska fält skapar en elektrisk växelström i induktionsspolen på enheten som laddas, som i sin tur passerar genom likriktaren. Likström laddar batteriet eller ger driftkraft. Konceptet med induktiv laddning utforskades först av den engelske fysikern Michael Faraday 1831 och förfinades senare av Nikola Tesla.

Idag är den mest populära tillämpningen av denna typ av teknik i världen den trådlösa Qi-laddningsstandarden för smartphones, smarta klockor och surfplattor (3). Induktiv laddning används även i fordon, elverktyg, elektriska tandborstar och medicinsk utrustning. Bärbara enheter kan placeras nära en laddstation eller induktionspanel utan behov av exakt positionering eller elektrisk kontakt med en dockningsstation eller kontakt.

3. Trådlös laddare

Långa avstånd mellan sändar- och mottagarspolarna kan uppnås genom att använda resonansinduktiv koppling i ett induktivt laddningssystem, där en kondensator läggs till varje induktor för att bilda två kretsar med en specifik resonansfrekvens. AC frekvens motsvarar Resonans frekvensoch detta väljs baserat på det avstånd som krävs för maximal prestanda.

Ett av de mest kända företagen i denna bransch är lansering av WiTricity känd för sin trådlösa laddningsteknik baserad på elektromagnetisk resonans. Företagets lösningar består av sändare och mottagare som de har magnetiska antenner konfigurerad till samma frekvens, vilket gör att plattformen kan ladda flera enheter samtidigt.

WiTricitys huvudmål är att utrusta elfordon med detta system. WiTricity har samarbetat med Toyota, som har testat laddmattor på Prius-hybrider, samt Honda, Hyundai, Nissan och GM. Det var dock bara 2018 års BMW 530e iPerformance 2018e som blev den första modellen som kom ut på marknaden med ett sådant system.

trådlös laddning radiosändningar hade redan gett en historisk översikt som gick tillbaka till Teslas tid. Den är baserad på en annan fysisk princip - överföring av energi genom elektromagnetiska vågor. Den fungerar för närvarande i lågeffektband, även om utvecklingsarbete fortfarande pågår.

2015 kunde trådlös mikrovågsteknik överföra 1,8 kilowatt energi över ett avstånd på 55 meter. Dessutom hände detta inte i ett vakuum, utan i jordens vanliga atmosfär. Detta gjordes av japanska forskare och ansågs vara en stor prestation inom området för att överföra energi utan användning av elektriska ledningar. I Japan har det under många år pågått forskning kring trådlös överföring av el över långa avstånd. Det finns också kända planer på att få energi från solen med hjälp av stor solcellsfarm i yttre rymden.

Patent och standarder

De flesta av de mer än ett halvt tusen patenten som väntar på detta område under 2019-20 är från Kina - 401 (4). Naturligtvis utvecklas även amerikanska företag som Qualcomm och Apple aktivt. nya trådlösa laddningstekniker. I Sydkorea är Samsung och LG aktiva på detta område med sina flaggskepp Galaxy S- och V-seriens smartphones, som stödjer trådlös laddning. I Japan, å andra sidan, är denna teknik av intresse för biljättarna Toyota och Nissan.

4. Ledande länder i antal patent inom området trådlös laddning

Men för att trådlös laddning ska bli utbredd krävs även internationella standarder. Under de senaste åren har två trådlösa laddningsstandarder dykt upp - Qi och Power Matters Alliance (PMA).

Qi använder området 100…205 kHz. Enligt Wireless Power Consortium finns det för närvarande mer än 3700 5 Qi-certifierade enheter på marknaden som kan leverera mellan 15 och XNUMX watt effekt till mobila enheter.

PMA-laddningsstandarden använder intervallet 277…357 kHz. Även känd som AirFuel Alliance-standarden, ger detta trådlösa alternativ upp till 50 millimeter kraft, vilket gör att du kan använda dina enheter medan du laddar och låter dig ladda flera enheter samtidigt.

Även om båda dessa standarder använder induktiv laddning och har en liknande komponentstruktur är de inte kompatibla. Enheter kräver olika konfigurationer för att stödja PMA och Qi. Många nya enheter inkluderar den hårdvara som behövs för att använda båda laddningsstandarderna. Situationen förändras när Qi verkar ta över. Till exempel går Powermat, en av grundarna av PMA-konsortiet, över till Qi-standarden, som också har antagits av Apple som dess trådlösa laddningsstandard. Andra ledande tillverkare som arbetar med Qi-standarden inkluderar Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi och Sony.

På jakt efter bekvämlighet, prestanda och tillförlitlighet

Låt oss titta på de lösningar som finns på marknaden eller nyligen utvecklade. Tillverkare strävar efter att göra enheter av denna typ lätta att använda. Ett exempel kan vara Shipyard Bordsskivor, en av Storbritanniens ledande tillverkare av bänkskivor, erbjuder en teknik för att integrera trådlös laddningsteknik i ytan på sina bänkskivor. Detta enkla och effektiva modulsystem använder standard SupaPowa Qi-sändaren, som tillåter ström att flyta mellan sändarspolen och mottagarspolen i omedelbar närhet.

Den moderna och snygga bordsskivan lyser när enheten laddas. Tillverkaren föreslår också att du placerar en skiva av kontrasterande material på bänkskivan, tack vare vilken platsen för laddningspunkten är tydligt synlig för alla användare: dag och natt.

Airas "FreePower"-system kan integreras i bord, skrivbord och instrumentbrädor för att förvandla dem till laddare som kan driva flera enheter samtidigt. Typiska kontaktladdare har koncentrerat område av svängarsom måste anpassas till smarttelefonen för att kunna ladda den. Aira-drivna ytor använder flera spolar på ytan och algoritmer som spårar enheterna som laddas.

Energous trådlösa laddningssystem WattUp (5) låter användare ladda smartphones, surfplattor och andra enheter i samma område som plattformen. WattUp fungerar på samma sätt som WiTricity (magnetisk resonanstomografi), men skiljer sig från Boston-starten genom att sändaren använder Bluetooth för att hitta enheter som kan laddas med hjälp av Energous-appen.

En av de mest kända på världsmarknaden är Powermat-teknik (6), kallad SmartInducitve, baserad på magnetisk induktion, som tillåter energi att överföras över långa avstånd, upp till 40 cm, stödjer trådlös laddning med en betydande förändring (även med vinkelpositionering) och är lämplig för laddning och strömförsörjning av enheter trådlöst genom väggar, på avstånd, under tuffa utomhusförhållanden, under vattnet och till och med i miljöer med hög grad av metallicitet.

Elix Wireless utvecklar i sin tur laddare med hög effekt från 1 till 000 20 W för alla applikationer och industriella enheter. Företaget är specialiserat på "magnetodynamisk koppling" (MDC), som använder ett par roterande magneter i både sändaren och mottagaren, åtskilda av ett luftgap. Att rotera magneten i sändarenheten får magneten i mottagaren att rotera synkront, vilket ger effektiv kraftöverföring som producerar mindre värme än andra induktionsmetoder.

Jämfört med alla lösningar som beskrivs här skiljer sig uBeam-produkten genom att den använder ultraljud för laddning. Enligt företagets beskrivning av tekniken fungerar plattformen med en högtalarliknande sändare som avger högfrekvent ljud i intervallet 45 till 75 kHz (ohörbart för människor och djur). Den använder sedan en fasad arrayantenn för att rikta ljudet till en mikrofonliknande mottagare monterad på enheten som kräver ström. Nästa ultraljudsvågsenergi omvandlas till likström. När enheten laddas avbryts energiöverföringen.

Akta dig för främmande kroppar

Trots ständig utveckling och förbättring ställer de laddningsmetoder som idag används i praktiken fortfarande många problem. Som nämnts i en ny artikel i The New York Times ökade laddningen av en iPhone XR med Apples 12-watts trådbundna laddare batteriets laddning med 38 procent på 30 minuter, men att använda en trådlös laddningsstation i en halvtimme gav bara en laddning på 24 procent .

Så resultatet är inte särskilt imponerande. Dessutom, ju längre mottagaren är från sändaren, desto mindre energi kommer den att ta emot från källan. ett magnetfält. Laddningseffektiviteten minskar inte bara med ökande avstånd, utan också på grund av en "suboptimal" position. Dessutom genererar alla metoder för energiöverföring värme. Trådlös laddning är inte bättre, och kan i vissa fall vara mer problematisk, än kabelladdning.

W trådlös laddare Du måste akta dig för främmande föremål nära spolen, särskilt om de är gjorda av metall. Till exempel kan ett mynt eller en uppsättning nycklar som av misstag placerats på en laddare börja överföra energi, vilket potentiellt kan smälta föremålet och skada laddaren. Det finns naturligtvis enheter som signalerar när främmande föremål är där de inte borde vara, men som du kanske kan gissa kostar de inte mindre än vanliga.

Energi från luften kan lösa ditt batteriproblem

Kampen för att förbättra de som fortfarande är underväldigande intensifieras parametrar för trådlös laddare. Företag letar efter sätt att göra det bekvämare att ladda en smartphone så att telefonen inte behöver vara nära ett uttag eller direkt placerad på laddningsytan. Under 2019 erbjöd det kinesiska företaget OPPO Reno Ace-telefonmodeller som fungerade med en 65W trådlös laddare, vilket gjorde att batteriet kunde laddas upp till 100 procent.

inom 30 minuter. Sedan dess har konkurrensen om den högsta trådbundna laddningseffekten fortsatt. 2020 tillkännagav VIVO och Xiaomi 120W trådbunden laddningsteknik som kan ladda ett 4000mAh batteri på 20 minuter. Dessa enheter är dock för närvarande inte tillgängliga på marknaden, precis som 80W-systemet som meddelats av Xiaomi.

Början av 2021 är en serie presentationer av fjärrladdningssystem för mobila enheter "utan sladdar och laddningsställ." OPPO presenterade sin lösning för första gången. I demovideon kan vi se att telefonen laddas trådlöst trots att den tagits ur vaggan. Strax efter denna presentation tillkännagav kineserna från Xiaomi Mi Air Charge-systemet. Några dagar senare, i februari, arrangerade Motorola en demonstration fjärrladdningsstation kallad "Motorola One Hyper" (7). Och det japanska företaget Aeterlink introducerade enheten "Airplug", som, enligt sina försäkringar, driver enheter på ett avstånd av upp till 20 meter.

7. Presentation av Motorola One Hyper-systemet för laddning av kameror på cirka en meters avstånd

I mars avslöjade Xiaomi mer detaljer om sin långdistansladdningsteknik. Dess laddare är utrustad med antenner som kan upptäcka smartphonens position. Faskontrollmatris bestående av 144 antenner som sänder ut millimetervågor direkt till telefonen genom beamforming. En mottagande antennuppsättning av 14 antenner omvandlar millimetervågssignalen till elektricitet, som laddar telefonen.

Företaget sa att "inom en snar framtid" kommer systemet även att kunna fungera med smarta klockor, armband och andra bärbara enheter. För smartphonen har Xiaomi utvecklat en "signalantenn" och en "dummy-mottagningsantenn". Den första sänder platsinformation.

En av idéerna för trådlös laddning trådlös långdistansladdaresom skruvas in i lampsockeln. Detta är en produkt utvecklad av det israeliska företaget Wi-Charge. Detta är användningen av infrarött ljus för att överföra cirka två watt effekt. Företaget visade upp tekniken på CES 2020 och vann ett innovationspris. Tanken är att sändaren ska kopplas till traditionella hushållsströmförsörjningar och omvandla elektricitet till infraröda laserstrålar. Mottagare inbyggda i enheterna kommer att omvandla detta ljus till en strömkälla. Wi-Charge rullar för närvarande ut sin lösning för fjärrladdning av CCTV-kameror och smarta hyllor i amerikanska butiker och lager.

Om bärbara enheter någonsin skulle dra nytta av trådlös laddning över avstånd, oavsett om det är på ett nätverk som 5G eller någon annan teknik, utan avbrott, kan batterierna minskas i storlek och i vissa fall minskas helt. Använd inte. . Detta löser många av de problem som wearables-sektorn står inför idag.