Реализация обещаний настоящей беспроводной технологии питания

Мы все больше привыкли передавать энергию через беспроводной интерфейс в таких самых разных приложениях, как зарядные устройства для наушников и индукционные плиты, но как далеко эта технология может нас продвинуть? Сможем ли мы когда-нибудь заряжать автомобиль, не подключая кабель, или передавать электроэнергию в отдаленные места, не сажая опоры и не рыть канавы?

Существует две основных формы беспроводной передачи энергии. Первый предполагает тесную связь передатчика и приемника путем формирования между ними электрического или магнитного поля и последующего использования его для передачи энергии от одного к другому. Некоторые тесно связанные схемы передачи энергии используют электрическое поле для соединения двух электродов. Многие другие, такие как индукционные плиты, электрические зубные щетки и зарядные устройства для беспроводных телефонов, создают электромагнитное поле в передатчике, а затем используют это поле для индукции электрического тока в ближайшем приемнике, который затем может действовать - например, заряжать аккумулятор.

Второй важный подход - это радиационная связь, которая включает направление луча энергии, часто в форме высокочастотных радиоволн, на приемник, который настроен на улавливание как можно большей части этой энергии.

Выравнивание отправителя и получателя очень важно для эффективной передачи энергии. (Изображение:Molex Ventures)

Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки, причем эффективность передачи энергии и дальность передачи являются двумя наиболее важными показателями качества. Для тесно связанных схем выравнивание между отправителем и получателем очень важно для эффективной передачи энергии. Если вы использовали индукционную плиту, вы знаете это инстинктивно, поскольку сковорода прекращает нагреваться сразу же, когда ее перемещают из отмеченного центра ее кольца. Вы также могли заметить большое количество магнитов, встроенных в заднюю часть новейших смартфонов, чтобы гарантировать, что шайба беспроводной зарядки идеально совмещена с катушкой приемника телефона. Поскольку время зарядки так важно для предполагаемой полезности новых мобильных телефонов, обеспечение максимальной эффективности беспроводной зарядки стоит инженерных усилий и затрат на производство единицы продукции.

Мы видим аналогичные проблемы в гораздо большем масштабе в усилиях по разработке стандартов беспроводной зарядки электромобилей. Недавний опрос автомобильных компаний, проведенный Molex, показал, что 36 процентов респондентов считают, что к 2030 году беспроводная зарядка станет стандартной функцией. В сотовых телефонах скорость зарядки измеряется десятками ватт. Однако электромобили (электромобили) нуждаются в зарядке от 50 до 250 кВт, чтобы стать практической альтернативой автомобилям с двигателями внутреннего сгорания для длительных поездок. Очень важно правильно выровнять катушку трансмиссии на земле и катушку звукоснимателя под автомобилем. В конце концов, потери при передаче в несколько процентов из-за плохой центровки могут означать, что сотни ватт мощности рассеиваются в виде бесполезного тепла на стыке между передающими катушками зарядного устройства и приемником автомобиля.

Концепция беспроводных линий зарядки электромобилей? (Изображение:Molex Ventures)

SAE International уже опубликовала стандарт (J2954_202010) для решения многих проблем, связанных с беспроводной зарядкой транспортных средств. Он устанавливает критерии функциональной совместимости, электромагнитной совместимости, ЭМП, производительности, безопасности и тестирования систем беспроводной передачи энергии для использования в легких сменных электромобилях. Спецификация предназначена для использования в стационарных зарядных устройствах, хотя в будущем могут быть рассмотрены динамические приложения. В его нынешнем виде он ограничивается наземными зарядными площадками и не распространяется на установку заподлицо.

Стандарт SAE J2954 также определяет подход к выравниванию, который поможет водителям выровнять свои автомобили с зарядной площадкой, чтобы обеспечить эффективную передачу энергии, а также предоставит инфраструктуру для автомобилей, чтобы сделать это автономно в будущем. Но для того, чтобы беспроводная зарядка была настолько простой и быстрой, насколько это необходимо, чтобы избавиться от рутинного поведения пользователя, заключающегося в простом подключении автомобиля к розетке, как если бы он был за бензоколонкой, потребуются хорошие инженерные решения и большая пользовательская дисциплина. / P>

Беспроводная зарядка для сотовых телефонов в автомобилях, пожалуй, лучшая на сегодняшний день иллюстрация неопределенных перспектив беспроводной передачи энергии сегодня. Итог:он работает только тогда, когда телефон помещен в определенное место, чтобы обеспечить точное выравнивание между катушками передатчика и приемника.

Различные формы зарядных устройств. Слева направо:подставка для беспроводной зарядки, подставка для беспроводной зарядки и подстаканник для беспроводной зарядки (Изображение:Molex Ventures)

Пользователи сотовых телефонов не так снисходительны, поэтому новейшие смартфоны имеют такие сильные магниты за корпусом, что упрощает юстировку. Но такая беспроводная зарядка по-прежнему является частично связанной - вам нужно идти туда, где находится зарядная панель. Лучший пользовательский интерфейс будет включать возможность заряжать устройство в любом месте в указанном объеме без необходимости тесной связи и точного выравнивания с зарядной катушкой. Стартап Ossia, финансируемый Molex Ventures, делает именно это, используя стратегию, похожую на антенные решетки MIMO, используемые в передовых системах Wi-Fi и 5G, чтобы обеспечить передачу энергии на устройство, даже если оно не находится в зоне прямой видимости передатчика.

В подходе Ossia передатчик энергии посылает регулярный сигнал от своей антенны, чтобы синхронизировать его с любыми совместимыми устройствами поблизости. Затем каждый приемник отправляет обратно сигнал радиомаяка, который сообщает о своем присутствии и потребляемой мощности. Передатчик мощности измеряет фазу каждого маякового сигнала и использует ее для определения направления, в котором он должен передавать мощность для наиболее эффективной передачи энергии.

Этот подход работает с передатчиком с одной антенной, но передатчики мощности с несколькими антеннами могут измерять несколько разные фазы сигнала маяка, поступающего на каждую из них, чтобы более точно установить наиболее эффективный путь передачи. Затем передатчик энергии может регулировать фазу и выходную мощность каждой из своих антенн, чтобы направить когерентный луч энергии на приемник. И этот путь не обязательно должен быть в пределах прямой видимости - если сигнал радиомаяка, посланный приемником энергии, отражается от стены на пути к передатчику, передатчик энергии направит свой луч обратно по тому же пути.

Устройство, оснащенное приемником энергии Ossia Cota, отправляет сигнал радиомаяка, чтобы определить местонахождение передатчика мощности Cota, который затем передает мощность по беспроводной сети по тому же пути. (Изображение:Molex Ventures)

Передатчик также может поддерживать несколько устройств в одном томе. Каждый приемник в этом объеме измеряет, сколько мощности ему нужно, и отправляет эту информацию передатчику в виде запроса. Затем передатчик сравнивает все запросы от приемников, которые он обслуживает, и распределяет импульсы беспроводной мощности каждому из приемников в соответствии с их потребностями.

Компания утверждает, что перспективность этого подхода заключается в том, что, как только энергия будет доставляться таким образом, можно будет переосмыслить всевозможные предположения о том, как устройства питаются в окружающей среде. Парадигма меняется от беспроводной зарядки к беспроводной доставке энергии. Например, для потолочных дымовых извещателей не потребуется новая батарея, а роботы-пылесосы будут выполнять свои обязанности, не прибегая к громоздкой док-станции.

Сотовые телефоны научили нас тому, что мы можем получить доступ ко всему с портативного устройства, что ограничивается только доступом к полосе пропускания и подходящим уровнем заряда батареи. Беспроводная передача энергии кажется полезным способом избежать включения телефона или автомобиля в розетку, но, в конце концов, она все еще привязана к месту нахождения зарядного устройства. Если станет практичным подключать устройства по беспроводной сети, где бы они ни находились, в пределах определенного объема, мы можем увидеть, что наши возможности и поведение изменится так же, как и при переходе со стационарных телефонов на смартфоны.

В конечном итоге это изменение будет связано с разработкой вспомогательных технологий, таких как датчики, помогающие решать проблемы с выравниванием, или решения по управлению температурой для облегчения зарядки высокой мощности. Это требует опыта, который открывает путь во все более взаимосвязанный, но при этом не имеющий связей мир.

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт EE Times Europe.

Связанное содержание:

• Решение проблем, связанных с проектированием беспроводной сети в автомобиле.
• Основы беспроводной зарядки
• Беспутная беспроводная зарядка
• Дроны продолжают использовать решения для беспроводной зарядки.
• 10 ключевых тенденций в беспроводных технологиях
• Новые решения улучшают управление питанием электромобилей.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.