Que la force soit avec vous et vos appareils. Chargeur sans fil

Le célèbre Nikola Tesla était obsédé par une idée. Il imagina que l'électricité pouvait être transmise sans fil, par voie aérienne sur de longues distances, ou à l'aide de pylônes organisés en réseau (1). Tout ne s'est pas déroulé comme prévu, car sa vision consommait trop d'énergie. Les ambitions de Tesla ne se sont pas concrétisées, mais la théorie elle-même n'a pas été réfutée.

Un article publié en janvier 2021 dans la revue Nature a suggéré qu'ils pourraient sans le savoir construire ce que Tesla n'a pas réussi à construire au tournant des XNUMXe et XNUMXe siècles - un "réseau électrique sans fil" qui pourrait être adapté pour charger ou alimenter de petits intégrés appareils dans les voitures, les maisons. , emplois et usines.

Étant donné que la 5G repose sur un réseau dense de mâts et d'antennes, il est possible que la même infrastructure, avec quelques modifications, puisse alimenter de petits appareils. Cependant, le système souffrira toujours du même problème que les tours Tesla - des pertes d'énergie élevées.

Conçus pour être utilisés, ils peuvent transporter à la fois une connexion Internet et de l'électricité. Les expériences ont utilisé de nouveaux types d'antennes pour faciliter la recharge sans fil. En laboratoire, les chercheurs ont utilisé des liaisons 5G pour transmettre de l'énergie sur une distance relativement courte d'un peu plus de deux mètres, mais ils s'attendent à ce que la prochaine version de leur appareil soit capable de transmettre 6 microwatts (6 millionièmes de watt) sur une distance de 180 mètres. Ce n'est toujours pas suffisant. Il ne suffit pas de recharger votre téléphone. Cependant, il peut charger ou alimenter Appareils IdO, capteurs et alarmes. Dans les usines, des centaines de capteurs IoT peuvent être utilisés pour surveiller les entrepôts, prévoir les pannes d'équipement ou suivre le mouvement des pièces le long d'une chaîne de production.

Pour fournir une alimentation sans fil à ce niveau, mâts 5G elles doivent être d'au moins 31 kW, ce qui correspond à dix bouilloires d'eau bouillante en continu. Alors que les craintes que la 5G puisse causer le cancer ont été démystifiées par les scientifiques, la quantité d'énergie provenant des mâts peut être dangereuse. Les utilisateurs doivent être à au moins 16 mètres des mâts conformément aux règles de sécurité. Cette technique n'en est qu'à ses balbutiements.

Des solutions futures possibles, si seulement nouvelles antennes avec des faisceaux plus étroits et plus focalisés peut réduire considérablement la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner le système. Récemment, un groupe de scientifiques du Georgia Institute of Technology a développé un petit Antenne redresseuse imprimée en 3Dqui peut collecter l'énergie électromagnétique des signaux du réseau 5G et l'utiliser pour alimenter des appareils. L'antenne flexible, dont la conception est basée sur des lentilles Rothman, peut collecter des ondes millimétriques dans la bande des 28 GHz. Énergie des ondes électromagnétiques il est transféré au chargeur et transmis sans fil à, par exemple, des modules électroniques portables ou IoT.

Des solutions comme celles décrites ci-dessus sont déjà testées dans certains endroits du monde. Powerco, deuxième plus grand distributeur d'électricité en Nouvelle-Zélande pilote le système Emrod, qui utilise des rectennas qui captent les ondes dans le spectre électromagnétique correspondant à des fréquences telles que le Wi-Fi ou le Bluetooth, puis transmettent l'énergie électrique des micro-ondes d'un point à un autre (2). En même temps, de petits lasers surveillent les antennes du redresseur pour détecter tout obstacle entre les points de relais. "Nous avons développé la technologie pour transmettre l'énergie sans fil sur de longues distances", explique Greg Kushnir, fondateur d'Emrod.

2. Comparaison d'installation du système de transmission d'énergie sans fil Emrod avec un réseau de transmission typique

projets transmission de puissance sans fil ils atteignent l'espace extra-atmosphérique à des distances encore plus grandes. Comme il s'est avéré récemment, le mystérieux Mini-navette X-37B il est également utilisé par le Pentagone pour tester des technologies permettant de transmettre de l'énergie à distance et d'en alimenter divers appareils. Le X-37B possède une plaque spéciale d'un diamètre de 30 centimètres, conçue pour convertir l'énergie solaire en énergie micro-ondes. Il est rapporté que les résultats de l'expérience PRAM-FX ont grandement surpris les scientifiques. Le rendement de conversion est beaucoup plus élevé que prévu.

Quel est le plan du Pentagone ? L'armée veut envoyer sans fil d'énormes quantités d'énergie depuis l'orbite vers la Terre, puis dans le monde entier. L'avantage de cette technologie est que même les pires conditions météorologiques n'en ont pas peur. Les scientifiques voient son application non seulement dans des bases sur Mars ou sur la Lune, où il sera possible de produire de l'énergie en un seul endroit et de l'envoyer ensuite vers des bases éloignées, mais aussi sur Terre, par exemple, pour transférer de l'énergie entre des objets éloignés.

Maintenant, le pentagone est en construction. vaisseau spatial appelé Arachne i Système solaire Hélios. Le navire sera équipé de plaques solaires spéciales et d'un système de transmission d'énergie aux orbiteurs, ainsi qu'à la Terre. L'appareil devrait être envoyé dans l'espace dès 2023. L'armée américaine prévoit de construire plusieurs fermes solaires en orbite terrestre dans les années 20 du XNUMXe siècle, où il sera possible de produire de l'énergie et de l'envoyer sur Terre ou d'alimenter des installations spatiales avec elle.

Des fermes similaires seront également construites en orbite autour de la Lune et de Mars, car la NASA est également impliquée dans le projet.

Induction ou ondes

Par "charge sans fil", on entend le processus charge d'appareils électriques et un équipement fonctionnant sur batterie sans avoir besoin d'une connexion électrique filaire. De manière générale, il existe trois types de charge : inductive, résonnante et radio.

Charge inductive utilise le phénomène physique de l'induction électromagnétique. Lorsqu'un courant alternatif traverse la bobine d'induction dans la station de charge, la charge électrique en mouvement crée un champ magnétique dont l'intensité fluctue.

Ce champ magnétique alternatif crée un courant électrique alternatif dans la bobine d'induction du dispositif de charge, qui à son tour traverse le redresseur. Le courant continu charge la batterie ou fournit l'énergie de fonctionnement. Le concept de charge inductive a été exploré pour la première fois par le physicien anglais Michael Faraday en 1831 et affiné par Nikola Tesla.

L'application de loin la plus populaire de ce type de technologie dans le monde est la norme de recharge sans fil Qi pour les smartphones, les montres connectées et les tablettes (3). La charge inductive est également utilisée dans les véhicules, les outils électriques, les brosses à dents électriques et les appareils médicaux. Les appareils portables peuvent être placés près de la station de charge ou de la plaque à induction sans avoir besoin d'un positionnement précis ou d'un contact électrique avec la station d'accueil ou la prise.

3. Chargeur sans fil

De grandes distances entre les bobines émettrices et réceptrices peuvent être obtenues en utilisant un couplage inductif résonant dans un système de charge inductif dans lequel un condensateur est ajouté à chaque inductance pour former deux circuits à une fréquence de résonance spécifique. Correspondance de fréquence AC fréquence de résonanceet ceci est choisi en fonction de la distance requise pour des performances maximales.

L'une des entreprises les plus célèbres de cette industrie est lancer WiTricity connu pour sa technologie de charge sans fil basée sur la résonance électromagnétique. Les solutions de l'entreprise se composent d'émetteurs et de récepteurs qu'elle a antennes magnétiques réglé sur la même fréquence, permettant à la plate-forme de charger plusieurs appareils en même temps.

L'objectif principal de WiTricity est d'équiper les véhicules électriques de ce système. WiTricity s'est associé à Toyota, qui a testé des tapis de recharge sur les hybrides Prius, ainsi que Honda, Hyundai, Nissan et GM. Cependant, seule la BMW 2018e iPerformance 530e 2018 a été le premier modèle doté de ce système à arriver sur le marché.

Recharge sans fil les émissions de radio avaient déjà présenté un aperçu historique remontant à l'époque de Tesla. Il est basé sur un autre principe physique - le transfert d'énergie par ondes électromagnétiques. Il fonctionne actuellement dans les bandes de faible puissance, bien que les travaux de développement soient toujours en cours.

En 2015, la technologie des micro-ondes sans fil pouvait transmettre 1,8 kilowatt de puissance sur une distance de 55 mètres. De plus, cela n'a pas eu lieu dans le vide, mais dans l'atmosphère ordinaire de la Terre. Cela a été fait par des chercheurs japonais, et cela a été considéré comme une grande réussite dans le domaine de la transmission de puissance sans l'utilisation de fils électriques. Au Japon, des recherches sont en cours sur la transmission d'énergie sans fil sur de longues distances depuis de nombreuses années. Il existe également des plans connus pour obtenir de l'énergie du Soleil à l'aide de grands ferme solaire dans l'espace.

Brevets et normes

La plupart des plus de 2019 brevets dans ce domaine en instance en 20-401 sont en Chine - 4 (XNUMX). Bien sûr, des sociétés américaines telles que Qualcomm et Apple se développent également activement. nouvelles technologies de charge sans fil. En Corée du Sud, Samsung et LG travaillent activement dans ce domaine avec leurs smartphones phares des séries Galaxy S et V, qui prennent en charge la recharge sans fil. Au Japon, en revanche, cette technique intéresse les géants de l'automobile Toyota et Nissan.

4. Pays leaders en nombre de brevets dans le domaine de la recharge sans fil

Cependant, pour que la recharge sans fil se généralise, des normes internationales sont également nécessaires. Ces dernières années, deux normes de recharge sans fil ont émergé - Qi et Power Matters Alliance (PMA).

Qi utilise une plage de 100 à 205 kHz. Selon le Wireless Power Consortium, il existe actuellement sur le marché plus de 3700 5 appareils certifiés Qi capables de fournir 15 à XNUMX watts de puissance aux appareils mobiles.

La norme de charge PMA utilise la plage 277…357 kHz. Également connue sous le nom de norme AirFuel Alliance, cette option sans fil fournit jusqu'à 50 millimètres de puissance, vous permettant d'utiliser vos appareils pendant la charge et vous permet de charger plusieurs appareils en même temps.

Bien que ces deux normes utilisent charge inductive et ont une structure de composant similaire, ils ne sont pas compatibles. Les appareils nécessitent des configurations différentes pour prendre en charge PMA et Qi. De nombreux nouveaux appareils incluent le matériel nécessaire pour utiliser les deux normes de charge. La situation est en train de changer car le Qi semble prendre le dessus. Par exemple, Powermat, membre fondateur du consortium PMA, passe à la norme Qi, qui a également été adoptée par Apple comme norme de recharge sans fil. Les autres principaux fabricants de Qi sont Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi et Sony.

A la recherche de confort, de performance et de fiabilité

Jetons un coup d'œil aux solutions disponibles sur le marché ou nouvellement développées. Les fabricants s'efforcent de rendre ce type d'appareil facile à utiliser. Un exemple serait Comptoirs de chantier naval, l'un des principaux fabricants de comptoirs au Royaume-Uni, propose une technique d'intégration de la technologie de charge sans fil dans la surface de leurs comptoirs. Ce système modulaire simple et efficace utilise l'émetteur standard SupaPowa Qi qui permet au courant de circuler entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice à proximité.

Le plateau de table moderne et élégant brille lorsque l'appareil est chargé. Le fabricant propose également de placer un disque en matériau contrastant sur le plan de travail, grâce auquel l'emplacement de la borne de recharge est bien visible pour tous les utilisateurs : de jour comme de nuit.

Le système "FreePower" d'Aira peut être intégré dans les bureaux, les bureaux et les tableaux de bord pour les transformer en chargeurs capables d'alimenter plusieurs appareils simultanément. Les chargeurs de contact typiques ont zone concentrée de viragesqui doit être aligné avec le smartphone afin de le recharger. Les surfaces alimentées par Aira utilisent plusieurs bobines sur la surface et des algorithmes qui gardent une trace des appareils en cours de charge.

Le système de recharge sans fil WattUp(5) d'Energous permet aux utilisateurs de recharger des téléphones intelligents, des tablettes et d'autres appareils dans la même zone que la plateforme. WattUp fonctionne de manière similaire à WiTricity (imagerie par résonance magnétique), mais diffère de la startup de Boston en ce que l'émetteur utilise Bluetooth pour rechercher des appareils pouvant être chargés à l'aide de l'application Energous.

L'un des plus célèbres sur le marché mondial est Technique Powermat (6), appelé SmartInducitve, basé sur l'induction magnétique, permettant la transmission de puissance sur de longues distances, jusqu'à 40 cm, prenant en charge la charge sans fil avec un décalage important (même en position inclinée), et adapté pour charger et alimenter des appareils sans fil à travers les murs , à distance, dans des conditions extérieures difficiles, sous l'eau et même dans des environnements à haut degré de métallicité.

À son tour, Elix Wireless développe des chargeurs haute puissance de 1 à 000 20 W pour toutes les applications et appareils industriels. L'entreprise est spécialisée dans le "couplage magnétodynamique" (MDC), qui utilise une paire d'aimants rotatifs dans l'émetteur et le récepteur, séparés par un entrefer. La rotation de l'aimant dans l'émetteur fait tourner l'aimant dans le récepteur de manière synchrone, fournissant un transfert de puissance efficace qui produit moins de chaleur que d'autres méthodes d'induction.

Par rapport à toutes les solutions décrites ici, le produit uBeam se distingue par le fait qu'il utilise des ultrasons pour la charge. Selon la description de la technologie par l'entreprise, la plate-forme fonctionne avec un émetteur de type haut-parleur qui émet un son à haute fréquence dans la plage de 45 à 75 kHz (inaudible pour les humains et les animaux). Il utilise ensuite une antenne à réseau phasé pour envoyer le son à un récepteur de type microphone monté sur un appareil qui a besoin d'alimentation. Prochain énergie des ondes ultrasonores converti en courant continu. Lorsque l'appareil est en charge, la transmission de puissance est interrompue.

Attention aux corps étrangers

Malgré un développement et une amélioration constants, les méthodes de charge actuellement utilisées dans la pratique posent encore de nombreux problèmes. Comme indiqué dans un article récent du New York Times, charger un iPhone XR avec le chargeur filaire de 12 watts d'Apple a augmenté les niveaux de batterie de 38 % en 30 minutes, mais l'utilisation d'une station de charge sans fil pendant une demi-heure n'a donné qu'une charge de 24 %.

Le résultat n'est donc pas très impressionnant. De plus, plus le récepteur est éloigné de l'émetteur, moins il recevra d'énergie de la source. un champ magnétique. L'efficacité de charge diminue non seulement avec l'augmentation de la distance, mais aussi en raison d'une position «non optimale». De plus, toutes les méthodes de transfert d'énergie génèrent de la chaleur. La recharge sans fil n'est pas meilleure, et dans certains cas peut être plus problématique, que la recharge par câble.

W chargeur sans fil vous devez vous méfier des objets étrangers à proximité de la bobine, surtout s'ils sont en métal. Par exemple, une pièce de monnaie ou un jeu de clés placé accidentellement sur un chargeur peut commencer à transférer de l'énergie, ce qui peut faire fondre l'objet et endommager le chargeur. Il existe, bien sûr, des appareils qui signalent lorsque des objets étrangers se trouvent là où ils ne devraient pas être, mais, comme vous pouvez le deviner, ils ne coûtent pas moins cher que d'habitude.

L'alimentation à partir de rien pourrait résoudre votre problème de batterie

La lutte pour améliorer ceux qui sont encore médiocres s'intensifie paramètres du chargeur sans fil. Les entreprises recherchent des moyens de rendre le processus de chargement d'un smartphone plus pratique, de sorte que le téléphone n'ait pas besoin d'être à proximité d'une prise de courant ou d'être positionné précisément sur une surface de chargement. En 2019, la société chinoise OPPO a proposé des modèles de téléphones Reno Ace qui fonctionnaient avec un chargeur sans fil de 65 W, ce qui permettait de recharger la batterie jusqu'à 100 %.

dans les 30 minutes. Depuis lors, la compétition pour la capacité de charge filaire la plus élevée s'est poursuivie. En 2020, VIVO et Xiaomi ont annoncé une technologie de charge filaire de 120 W capable de charger une batterie de 4000 mAh en 20 minutes. Cependant, ces appareils ne sont pas actuellement disponibles sur le marché, tout comme le système de 80 watts annoncé par Xiaomi.

Le début de l'année 2021 est une série de présentations de systèmes de recharge longue distance pour appareils mobiles "sans fil ni support de recharge". OPPO a présenté sa solution pour la première fois. Dans la vidéo de démonstration, nous pouvons voir que le téléphone se recharge sans fil, même s'il est retiré de son support. Peu de temps après cette présentation, les Chinois de Xiaomi ont annoncé le système Mi Air Charge. Quelques jours plus tard, déjà en février, Motorola organisait une démonstration borne de recharge à distance appelé "Motorola One Hyper" (7). Et la société japonaise Aeterlink a dévoilé un appareil Airplug qui, selon elle, peut alimenter des appareils jusqu'à 20 mètres.

7. Présentation du système Motorola One Hyper permettant de recharger les caméras à une distance d'environ un mètre

En mars, Xiaomi a révélé plus de détails sur sa technique de charge longue portée. Son chargeur est équipé d'antennes capables de détecter la position du smartphone. Matrice de contrôle de phase composé de 144 antennes qui transmettent des ondes millimétriques directement au téléphone par formation de faisceaux. Le réseau d'antennes de réception de 14 antennes convertit le signal d'onde millimétrique en électricité, qui charge le téléphone.

La société a déclaré que "dans un avenir proche", le système pourra également fonctionner avec des montres intelligentes, des bracelets et autres appareils portables. Quant au smartphone, Xiaomi a développé une "antenne de signalisation" et une "antenne de réception factice". Le premier transmet des informations sur l'emplacement.

Une des idées de recharge sans fil chargeur sans fil longue distancequi est vissé dans la douille de la lampe. Il s'agit d'un produit développé par la société israélienne Wi-Charge. C'est l'utilisation de la lumière infrarouge pour transmettre une puissance d'environ deux watts. L'entreprise a présenté la technique au CES 2020 et a remporté un prix de l'innovation. L'idée est que l'émetteur sera connecté à des sources d'alimentation domestiques traditionnelles et convertira l'électricité en faisceaux laser infrarouges. Les récepteurs intégrés aux appareils convertiront cette lumière en source d'alimentation. Wi-Charge déploie actuellement sa solution de recharge à distance des caméras de sécurité et des étagères intelligentes dans les magasins et entrepôts américains.

Si les appareils électroniques portables bénéficiaient un jour de la recharge sans fil à distance, que ce soit sur un réseau comme la 5G ou une autre technologie non-stop, les batteries pourraient être réduites en taille, et dans certains cas ne pas les utiliser. . Cela résout de nombreux problèmes auxquels le secteur des wearables est confronté aujourd'hui.