Да пребудет с вами и вашими устройствами сила. Беспроводная зарядка

Знаменитый Никола Тесла был одержим одной идеей. Он представлял себе, что электричество можно передавать без проводов, по воздуху на большие расстояния или с помощью башен, организованных в сеть (1). Не все пошло по плану, так как его зрение тратило слишком много энергии. Амбиции Теслы не осуществились, но сама теория не была опровергнута.

В статье, опубликованной в январе 2021 года в журнале Nature, предполагалось, что они могут по незнанию построить то, что Tesla не смогла построить на рубеже XNUMX-го и XNUMX-го веков — «беспроводную энергосистему», которую можно было бы адаптировать для зарядки или питания небольших встроенных устройств в автомобилях, домах. , рабочие места и фабрики.

Поскольку 5G опирается на плотную сеть мачт и антенн, вполне возможно, что та же самая инфраструктура с некоторыми изменениями сможет передавать энергию на небольшие устройства. Однако система по-прежнему будет страдать от той же проблемы, которая была у башен Теслы — высоких потерь энергии.

Предназначенные для использования, они могут нести как подключение к Интернету, так и электричество. В экспериментах использовались новые типы антенн для облегчения беспроводной зарядки. В лаборатории исследователи использовали каналы 5G для передачи мощности на относительно короткое расстояние чуть более двух метров, но они ожидают, что следующая версия их устройства сможет передавать 6 мкВт (6 миллионных долей ватта) на расстояние 180 метров. Этого все еще недостаточно. Недостаточно зарядить телефон. Однако он может заряжать или питать IoT-устройства, датчики и сигнализация. На заводах можно использовать сотни датчиков IoT для мониторинга складов, прогнозирования поломок оборудования или отслеживания движения деталей по производственной линии.

Чтобы обеспечить беспроводную мощность на этом уровне, мачты 5G они должны быть не менее 31 кВт, что соответствует десяти чайникам непрерывно кипящей воды. Хотя опасения, что 5G может вызвать рак, были опровергнуты учеными, количество энергии, исходящей от мачт, может быть опасным. В соответствии с правилами техники безопасности пользователи должны находиться на расстоянии не менее 16 метров от мачт. Эта техника находится только в зачаточном состоянии.

Возможные будущие решения, если только новые антенны с более узкими и более сфокусированными лучами может значительно снизить количество энергии, необходимой для работы системы. Недавно группа ученых из Технологического института Джорджии разработала небольшой, 3D-печатная выпрямительная антеннакоторые могут собирать электромагнитную энергию сигналов сети 5G и использовать ее для питания устройств. Гибкая антенна, конструкция которой основана на линзах Ротмана, может собирать миллиметровые волны в диапазоне 28 ГГц. Энергия электромагнитных волн он передается на зарядное устройство и передается по беспроводной сети, например, на портативную электронику или модули IoT.

Решения, подобные описанным выше, уже тестируются в некоторых местах по всему миру. Powerco, второй по величине распределитель электроэнергии в Новой Зеландии в пилотной программе тестирует работу системы Emrod, в которой используются выпрямители (ректенны), улавливающие волны в диапазонах электромагнитного спектра, соответствующих частотам, например, Wi-Fi или Bluetooth, а затем передающие электрическую энергию в диапазоне СВЧ из одной точки в другую (2). В то же время небольшие лазеры контролируют антенны выпрямителя, чтобы обнаружить любые препятствия между точками ретрансляции. «Мы разработали технологию беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния», — говорит основатель Emrod Грег Кушнир.

2. Сравнение установки беспроводной системы передачи энергии Emrod с типичной сетью передачи

проектов беспроводная передача энергии они достигают космического пространства на еще больших расстояниях. Как выяснилось недавно, таинственный Мини-шаттл X-37B он также используется Пентагоном для проверки технологий передачи энергии на расстояние и снабжения ею различных устройств. X-37B имеет специальную пластину диаметром 30 сантиметров, которая предназначена для преобразования солнечной энергии в микроволновую. Сообщается, что результаты эксперимента PRAM-FX сильно удивили ученых. Эффективность преобразования намного выше, чем ожидалось.

Каков план Пентагона? Армия хочет по беспроводной связи отправлять огромное количество энергии с орбиты на Землю, а затем по всему миру. Преимущество этой технологии в том, что ей не страшны даже самые плохие погодные условия. Ученые видят его применение не только в базах на Марсе или Луне, где можно будет производить энергию в одном месте и затем отправлять ее на удаленные базы, но и на Земле, например, для передачи энергии между удаленными объектами.

Сейчас пятиугольник строится. космический корабль под названием Арахна i Солнечная система Гелиос. Корабль будет оснащен специальными солнечными пластинами и системой передачи энергии на орбитальные аппараты, а также на Землю. Аппарат должен быть отправлен в космос уже в 2023 году. Армия США планирует построить несколько солнечных ферм на орбите Земли в 20-х годах XNUMX века, где можно будет производить энергию и отправлять ее на Землю или питать ею космические установки.

Подобные фермы также будут построены на орбите Луны и Марса, ведь в проекте участвует и НАСА.

Индукция или волны

Под «беспроводной зарядкой» подразумевается процесс электрическая зарядка устройств и оборудование, работающее от батарей без необходимости проводного электрического соединения. Вообще говоря, существует три типа зарядки: индуктивная, резонансная и радио.

Индуктивная зарядка использует физическое явление электромагнитной индукции. Когда переменный ток проходит через индукционную катушку в зарядной станции, движущийся электрический заряд создает магнитное поле, сила которого колеблется.

Это переменное магнитное поле создает переменный электрический ток в индукционной катушке заряжаемого устройства, который, в свою очередь, проходит через выпрямитель. Постоянный ток заряжает батарею или обеспечивает рабочее питание. Концепция индуктивной зарядки была впервые исследована английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году, а затем усовершенствована Николой Теслой.

На сегодняшний день самым популярным применением этого типа техники в мире является стандарт беспроводной зарядки Qi для смартфонов, смарт-часов и планшетов (3). Индуктивная зарядка также используется в транспортных средствах, электроинструментах, электрических зубных щетках и медицинских устройствах. Портативные устройства можно размещать рядом с зарядной станцией или индукционной панелью без необходимости их точного позиционирования или электрического контакта с док-станцией или вилкой.

3. Беспроводное зарядное устройство

Большие расстояния между катушками передатчика и приемника могут быть достигнуты за счет использования резонансной индуктивной связи в системе индуктивной зарядки, в которой к каждому индуктору добавляется конденсатор для формирования двух цепей с определенной резонансной частотой. Частота переменного тока соответствует резонансная частотаи это выбирается в зависимости от расстояния, необходимого для максимальной производительности.

Одной из самых известных компаний в этой отрасли является запуск WiTricity известна своей технологией беспроводной зарядки, основанной на электромагнитном резонансе. Решения компании состоят из передатчиков и приемников, которые у них есть магнитные антенны настроены на одну и ту же частоту, что позволяет платформе одновременно заряжать несколько устройств.

Основная цель WiTricity — оснастить этой системой электромобили. WiTricity сотрудничает с Toyota, которая тестировала коврики для зарядки на гибридах Prius, а также на Honda, Hyundai, Nissan и GM. Однако только BMW 2018e iPerformance 530e 2018 года стал первой моделью с такой системой, вышедшей на рынок.

Беспроводная зарядка в радиопередачах уже была представлена ​​историческая канва, восходящая ко временам Теслы. Он основан на другом физическом принципе — передаче энергии электромагнитными волнами. В настоящее время он работает в диапазонах малых мощностей, хотя опытно-конструкторские работы еще продолжаются.

В 2015 году с помощью беспроводной микроволновой технологии можно было передавать 1,8 киловатта энергии на расстояние 55 метров. К тому же это происходило не в вакууме, а в обычной атмосфере Земли. Это сделали японские исследователи, и это считалось большим достижением в области передачи энергии без использования электрических проводов. В Японии уже много лет ведутся исследования по беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния. Известны также планы получения энергии от Солнца с помощью великих солнечная ферма в открытом космосе.

Патенты и стандарты

Большая часть из более чем полутысячи патентов в этой области, находящихся на рассмотрении в 2019-20 гг., приходится на Китай — 401 (4). Конечно, американские корпорации, такие как Qualcomm и Apple, также активно развиваются. новые технологии беспроводной зарядки. В Южной Корее Samsung и LG активно работают в этой области со своими флагманскими смартфонами серий Galaxy S и V, которые поддерживают беспроводную зарядку. В Японии, с другой стороны, эта техника представляет интерес для автомобильных гигантов Toyota и Nissan.

4. Страны-лидеры по количеству патентов в области беспроводной зарядки

Однако для того, чтобы беспроводная зарядка получила широкое распространение, нужны и международные стандарты. В последние годы появилось два стандарта беспроводной зарядки — Qi и Power Matters Alliance (PMA).

Ци использует диапазон 100…205 кГц. По данным Wireless Power Consortium, в настоящее время на рынке имеется более 3700 сертифицированных устройств Qi, способных обеспечивать мощность от 5 до 15 Вт для мобильных устройств.

Стандарт зарядки PMA использует диапазон 277…357 кГц. Этот вариант беспроводной связи, также известный как стандарт AirFuel Alliance, обеспечивает мощность до 50 миллиметров, что позволяет использовать ваши устройства во время зарядки и позволяет заряжать несколько устройств одновременно.

Хотя оба этих стандарта используют индуктивная зарядка и имеют аналогичную структуру компонентов, они не совместимы. Устройствам требуются разные конфигурации для поддержки PMA и Qi. Многие новые устройства включают оборудование, необходимое для использования обоих стандартов зарядки. Ситуация меняется, поскольку Ци, кажется, берет верх. Например, Powermat, член-основатель консорциума PMA, переходит на стандарт Qi, который также был принят Apple в качестве стандарта беспроводной зарядки. Другие ведущие производители, работающие со стандартом Qi, включают Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi и Sony.

В поисках удобства, производительности и надежности

Давайте посмотрим на решения, доступные на рынке или недавно разработанные. Производители стремятся сделать устройства этого типа удобными в использовании. Примером может быть Верфь Столешницы, один из ведущих производителей столешниц в Великобритании, предлагающий технику интеграции технологии беспроводной зарядки в поверхность своих столешниц. В этой простой и эффективной модульной системе используется стандартный передатчик SupaPowa Qi, который позволяет току течь между катушкой передатчика и катушкой приемника в непосредственной близости.

Современная и стильная столешница сияет, когда устройство заряжено. Также производитель предлагает разместить на столешнице диск из контрастного материала, благодаря которому расположение точки зарядки хорошо видно всем пользователям: днем ​​и ночью.

Предложенная Aira система «FreePower» может быть интегрирована в столы, парты и приборные панели, чтобы превратить их в зарядные устройства, способные одновременно питать несколько устройств. Типичные контактные зарядные устройства имеют сосредоточенная площадь витковкоторый должен быть выровнен со смартфоном, чтобы зарядить его. Поверхности с питанием от Aira используют несколько катушек на поверхности и алгоритмы, которые отслеживают заряжаемые устройства.

Система беспроводной зарядки WattUp (5) от Energous позволяет пользователям заряжать смартфоны, планшеты и другие устройства в том же районе, что и платформа. WattUp работает аналогично WiTricity (магнитно-резонансная томография), но отличается от стартапа в Бостоне тем, что передатчик использует Bluetooth для поиска устройств, которые можно заряжать с помощью приложения Energous.

Одним из самых известных на мировом рынке является техника Powermat (6), называемая SmartInducitve, основанная на магнитной индукции, позволяющая передавать энергию на большие расстояния, до 40 см, поддерживающая беспроводную зарядку со значительным сдвигом (даже при угловом позиционировании) и подходящая для зарядки и питания устройств без проводов через стены, на расстоянии, в суровых уличных условиях, под водой и даже в средах с высокой степенью металличности.

В свою очередь, Elix Wireless разрабатывает зарядные устройства высокой мощности от 1 до 000 20 Вт для любых приложений и промышленных устройств. Компания специализируется на «магнитодинамической связи» (MDC), в которой используется пара вращающихся магнитов как в передатчике, так и в приемнике, разделенных воздушным зазором. Вращение магнита в передающем блоке заставляет магнит в приемнике вращаться синхронно, обеспечивая эффективную передачу энергии, которая производит меньше тепла, чем другие методы индукции.

По сравнению со всеми описанными здесь решениями продукт uBeam отличается тем, что использует для зарядки ультразвук. Согласно описанию техники компанией, платформа работает с передатчиком, похожим на громкоговоритель, излучающим высокочастотный звук в диапазоне от 45 до 75 кГц (не слышимый людьми и животными). Затем он использует фазированную антенную решетку, чтобы направить звук на микрофоноподобный приемник, установленный на устройстве, которому требуется питание. Следующий энергия ультразвуковой волны преобразуется в постоянный ток. Когда устройство заряжается, передача энергии прерывается.

Остерегайтесь инородных тел

Несмотря на постоянное развитие и совершенствование, методы зарядки, используемые в настоящее время на практике, по-прежнему создают множество проблем. Как отмечается в недавней статье в The New York Times, зарядка iPhone XR с помощью 12-ваттного проводного зарядного устройства Apple увеличила уровень заряда батареи на 38 процентов за 30 минут, но использование беспроводной зарядной станции в течение получаса дает только 24-процентный заряд.

Так что результат не очень впечатляющий. Кроме того, чем дальше приемник от передатчика, тем меньше энергии он будет получать от источника. магнитное поле. Эффективность зарядки снижается не только с увеличением расстояния, но и из-за «неоптимального» положения. Кроме того, все способы передачи энергии генерируют тепло. Беспроводная зарядка не лучше, а в некоторых случаях может быть более проблематичной, чем зарядка по кабелю.

W беспроводная зарядка надо остерегаться посторонних предметов возле катушки, особенно если они сделаны из металла. Например, монета или набор ключей, случайно положенные на зарядное устройство, могут начать передавать энергию, потенциально расплавляя объект и повреждая зарядное устройство. Есть, конечно, устройства, сигнализирующие, когда посторонние предметы оказываются там, где их быть не должно, но, как несложно догадаться, стоят они не дешевле обычных.

Энергия из воздуха может решить проблему с аккумулятором

Борьба за улучшение тех, кто все еще не впечатляет, усиливается параметры беспроводных зарядных устройств. Компании ищут способы сделать процесс зарядки смартфона более удобным, чтобы телефон не должен был находиться рядом с розеткой или точно располагаться на зарядной поверхности. В 2019 году китайская компания OPPO предложила модели телефонов Reno Ace, которые работали с беспроводным зарядным устройством мощностью 65 Вт, что позволяло заряжать аккумулятор до 100 процентов.

в течение 30 минут. С тех пор продолжается соревнование за самую высокую мощность проводной зарядки. В 2020 году VIVO и Xiaomi анонсировали технологию проводной зарядки мощностью 120 Вт, позволяющую зарядить аккумулятор емкостью 4000 мАч за 20 минут. Однако эти устройства в настоящее время недоступны на рынке, как и анонсированная Xiaomi 80-ваттная система.

Начало 2021 года — серия презентаций систем междугородной зарядки мобильных устройств «без проводов и всяких зарядных стендов». OPPO впервые представила свое решение. В демонстрационном видео мы видим, что телефон заряжается без проводов, несмотря на то, что его сняли с подставки. Вскоре после этой презентации китайцы из Xiaomi анонсировали систему Mi Air Charge. Через несколько дней, уже в феврале, Motorola устроила демонстрацию удаленная зарядная станция под названием «Motorola One Hyper» (7). А японская компания Aeterlink представила устройство «Airplug», которое, по ее заверениям, питает устройства на расстоянии до 20 метров.

7. Презентация системы Motorola One Hyper для зарядки камер с расстояния около метра

В марте Xiaomi раскрыла более подробную информацию о своей технике дальней зарядки. Его зарядное устройство оснащено антеннами, способными определять положение смартфона. Матрица управления фазами состоящий из 144 антенн, передающих миллиметровые волны непосредственно на телефон посредством формирования луча. Массив приемных антенн из 14 антенн преобразует сигнал миллиметрового диапазона в электричество, которое заряжает телефон.

Компания сообщила, что «в ближайшем будущем» система также сможет работать со смарт-часами, браслетами и другие носимые устройства. Что касается смартфона, Xiaomi разработала «сигнальную антенну» и «фиктивную приемную антенну». Первая передает информацию о местоположении.

Одна из идей беспроводной зарядки беспроводное зарядное устройство на большие расстояниякоторый вкручивается в патрон лампы. Это продукт, разработанный израильской компанией Wi-Charge. Это использование инфракрасного света для передачи мощности около двух ватт. Компания продемонстрировала эту технику на выставке CES в 2020 году и получила награду за инновации. Идея состоит в том, что передатчик будет подключен к традиционным домашним источникам питания и будет преобразовывать электричество в инфракрасные лазерные лучи. Приемники, встроенные в устройства, будут преобразовывать этот свет в источник питания. На данный момент Wi-Charge внедряет свое решение для удаленной зарядки камер видеонаблюдения и умных полок в магазинах и на складах США.

Если бы носимая электроника когда-либо получала пользу от беспроводной зарядки на расстоянии, будь то в сети, такой как 5G, или какой-либо другой технологии, в режиме нон-стоп, батареи можно было бы уменьшить в размерах, а в некоторых случаях вообще не использовать. . Это решает многие проблемы, с которыми сегодня сталкивается сектор носимых устройств.