Безжично захранване и живот на батерията Безпокойство


Животът на батерията е един от най-тревожните проблеми в мобилните технологии. Всъщност потребителите на смартфони постоянно оценяват живота на батерията като номер 1. Потребителите искат по-добри батерии, а не носими, Така че неотдавнашното обявление на Apple не е толкова изненадващо: iOS 9 ще има режим на ниска мощност, който може да осигури допълнителни три часа живот на батерията.

Но това не решава проблема с живота на батерията. Защо? Употребата на мобилни приложения и операционни системи продължава да нараства, като надхвърля постепенното подобряване на капацитета на батерията. От първия iPhone в 2007, нетният живот на батерията, измерен от времето на готовност в iPhone остана равна, а вие ще забележите, че огромното мнозинство от нас зареждат нашите телефони по-често, отколкото направихме с първия си смартфон. Доколкото можем да кажем, тази тенденция ще продължи в обозримо бъдеще във всички телефонни платформи.

Гледаме повече видеоклипове, играем игри, слушаме подкасти, разрешаваме на множество приложения да проследяват местоположението си, да използват аксесоари с Bluetooth и да носят и да държат десетки приложения едновременно - всички тези действия изцеждат повече енергия.

Литиево-йонните батерии на нашите телефони обикновено се оценяват само за презареждане на 300-500 пъти и губят капацитет с възрастта. Поддържането на тези батерии е от ключово значение за цялата мобилна екосистема - от доставчици и производители, до разработчиците на приложения и стартиращите мобилни устройства.

Точно там идва безжичната енергия.

Производителите усещат търсенето. Глобални приходи за безжични предаватели на мощност и приемници се очаква да нарасне с миналогодишните $ 12 от 2020, от $ 750 милиона през последната година. А обхватът на безжичната енергия надхвърля смартфоните - включва всяка преносима или вградена технология, която ще добавим към нашия свят.

Безжичният сигнал ще управлява както данните, така и захранването, като свързва 50-милиардните устройства, които Cisco очаква в Интернет на нещата (IoT). В CES тази година главният изпълнителен директор на Cisco Джон Чембърс прогнозира $ 19 трилион пазарен размер за интернет на всичко (IoE) в рамките на 5 години. И компанията за маркетингови проучвания Gartner очакват пазар на услуги в размер на $ 300 милиарда долара, за да подкрепи бума на IoE.

Но безжичното захранване е широкообхватно, обхващащо набор от технологии - много зависи и от двете където това е на разположение и колко добре тя действително работи. В момента се борим и с двата въпроса, защото само две разновидности от една и съща индуктивна технология на свързване са достъпни в търговската мрежа, с практичен диапазон на зареждане до 4 инча за телефони.

Дългосрочно, всички искаме непрекъснато безжично зареждане в кафенета, ресторанти, барове, хотели, офиси, летища, фитнес зали, стадиони и да, дори автомобили и обществени паркове Uber и Lyft. Никога не спирайте деня си да "заредите" отново - устройствата ви ще се зареждат автоматично навсякъде.

Въпросът е: Как и кога ще стигнем от тук до там? И коя комбинация от технологии ще бъде необходима? (Например, никоя от технологиите, които понастоящем се разработват, не може успешно да захрани големи открити пространства).

Нека да проверим състоянието на технологиите за безжично таксуване, включително кои от тях могат да излязат през следващите няколко години. Има много технически, регулаторни и маркетингови предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени. Но се надяваме, че в следващите 10-15 години ще направим захранващите кабели и зарядните устройства за батерии остарели.

Индуктивно свързване

Индуктивното пренасяне на мощност е наоколо, тъй като 1800. Той е първият патентован за безжични влакови влакове в 1892 и това е технологията, която управлява електрически четки за зъби днес. Консорциумът за безжична енергия (WPC), с неговата Qi индуктивен захранващ стандарт, е основан в 2008 и все още е най-популярната зарядна бобина сред производителите.

Qi намотките са вградени в телефони от марки като LG, HTC, Motorola и Sony. Ikea наскоро обявиха пълна гама мебели с вградени Qi рулони. Исторически, Qi се основава на просто индуктивно свързване, което означава, че има много малък обхват. Точно като електрическата четка за зъби, намотката на телефона трябва да почива директно върху намотката за зареждане, за да работи. Напредъкът зависи от това магнитен резонанс, най-типичното средство за плътно свързване на намотките. Това позволява ефективен трансфер на мощност на по-големи разстояния.

Powermat, основана в 2006, е един от най-ранните стартиращи устройства за безжично зареждане, които използват индуктивно прикачване за телефони. Първите й продукти са в 2009 и формират Power Matters Alliance (PMA) с P & G в 2012, от които Starbucks и AT & T също са членове на борда.

След 9 години, PowerMat пусна своите бобини dongles в няколкостотин Старбъкс в САЩ и Лондон. Но устройствата трябва да са почти перфектно подравнени на кръговете за зареждане (в рамките на ~ 1 см), а разходите за инсталиране за всяко място остават твърде забранени. За всички практически цели телефоните могат да бъдат включени и с кабели. Всъщност, ако те бяха само включени, щеше да е много по-лесно да използвате телефона си и да говорите по време на таксуването.

Друго по-ранно стартиране в това пространство е WiTricity, основана в 2007. Той е излязъл от MIT от разширено разнообразие от резонансни индуктивни връзки, с диапазон до 8 крака, макар че това разстояние се оказа много трудно за комерсиализация.

WiTricity може безжично да зарежда електрическите превозни средства в редица 1-2 крака, използвайки достатъчно големи бобини; това в момента се предлага на пазара. Скорошни демонстрации също така са таксували телефони на разстояние от 2-4 инча.

Въпреки това, ако искаме да зареждаме телефоните си автоматично в идеален диапазон от 4 крака (да речем, типичното разстояние на телефона от земята), то ще изисква безброй бобини 1-foot, вградени под краката и по-малки рулони, вградени в телефоните. Ще видим, че енергийните загуби ще надхвърлят 95 процента, а разходите за монтаж ще бъдат астрономически. Трудно е да се направи това решение за непрекъснато таксуване, но с повече години научноизследователска и развойна дейност ефективността постепенно ще се повиши.

В 2013 WiTricity се присъедини към конкурентен стандарт - Alliance 4 Wireless Power (A4WP), който от своя страна обединява членовете на Qualcomm и Samsung. PMA и A4WP обединиха стандартите в 2014, като приеха резонансните стандарти от A4WP и API от отворена мрежа от PMA. Двете групи за стандарти напълно се сляха по-рано тази година.

През последните три години Qi също така започна да включва резонансен индуктивен режим на свързване, макар че производителите трябва да го приемат, както те сметнат за подходящо. Първите чипове с двоен режим PMA / Qi излязоха в началото на миналата година, а телефони като Samsung S6 поддържат и двата стандарта.

Безжично зареждане - Tesla

Радио честота

Радиочестотата (RF) включва широк спектър от електромагнитни вълни. Повечето RF стартиращи фирми в безжичното зареждане обаче се фокусират върху ISN честотите 2.4GHz и 5.8GHz, тъй като тези ISM ленти могат да се използват без лиценз. От историческа гледна точка съществуват стандарти 2.4GHz главно защото потребителските микровълнови фурни работят на 2.45GHz - цялата RF използвана при безжичното зареждане е микровълнова радиация.

Съществуват разнообразие от интересни стартови компании, най-известни от които са Energous и Ossia, Няколко стартиращи фирми се опитват да се възползват от безжичните маршрутизатори, тъй като те също работят на 2.4GHz. Но количеството RF, произведено от стандартен безжичен рутер, е минимално (5000 пъти по-малко от типичния телефон).

Зареждането с RF не е трудно да се демонстрира. До голяма степен се основава на съществуващи технологии и вариации в приемопредавателите в клетъчните кули и радарните инсталации. Използва алгоритми за динамично настройване на пътищата към приемника - независимо дали се отклонява от стените или създава енергийни пликове.

Въпреки това, количеството енергия, предавана във въздуха, е невероятно, поне 30 пъти над настоящите указания на FCC за безопасност. Дори ако предавателите са 100 процент ефективни, инсталирането на един ще бъде еквивалентно на поставянето на 1-3 клетъчни кули в стаята ви. Докато имате един в краката 15, достатъчно е да заредите телефона си автоматично и непрекъснато. Но в такъв свят всички ние ще живеем на няколко крачки от клетъчните кули за остатъка от живота си.

Здравните рискове на RF са противоречиви и непроверени, но в 2011, Международната агенция за изследване на рака (IARC), част от Световната здравна организация (СЗО), класифицира RF като възможно канцерогенно за хората. Това се основава на 40 процентен увеличен риск от глиома, силно агресивен мозъчен рак, за потребителите на мобилни телефони, които говорят на телефоните си повече от 30 минути на ден в продължение на 10 години. Заставайки в рамките на 5 крака на енергиен предавател, член на обществеността ще получи подобни нива на експозиция само за секунди на ден.

Лазери

Wi-Charge, израелско начало, основано в 2010, е най-известното стартиране, което използва лазери, за да презареди телефона ви. Те са инфрачервени лазери, така че те зависят от вида на зрението, а ефективността на разстоянията е сравнително висока. Докато извадите телефона си от джоба си и гледате предавателя, той ще се зарежда непрекъснато.

Здравните рискове, обаче, са малко свързани. Традиционно, инфрачервената светлина се намира в индустриалните условия - стоманолеярни, текстилни и хартиени и стъкларски - така че инфрачервеното излъчване обикновено се регулира като част от професионалното здраве. Инфрачервеното се намира между микровълните и видимата светлина върху радиочестотния спектър на радиочестотния спектър (EMR), където вълните са незабележими за хората, но имат достатъчно сила да увреждат тъканите като кожата и очите.

Точно като фокусиран лъч на слънчева светлина - да речем, лупа и мравка - причинява изгаряния, фокусираният инфрачервен ще изгори кожата. За щастие, обикновено можем да усетим кога кожата ни прегрява и предприема стъпки, за да я избегне. Същото не е вярно за нашите очи. Фокусираният инфрачервен поток постепенно повишава вътрешната температура на окото, по същество го "пече", без да чувстваме нещо. Продължителното IR излагане води до катаракта, язви на роговицата и изгаряния на ретината. Промишлените работници носят защита на очите и кожата с инфрачервени филтри или отразяващи покрития, за да предотвратят повреда.

Wi-Charge се надява да предотврати това чрез прекъсване на инфрачервения лъч възможно най-бързо, когато нещо - да речем, главата на потребителя - блокира видимостта. На теория това предотвратява достатъчно IR да удря някога част от човек достатъчно дълго, за да причини значително прегряване. Но става въпрос за лъч, който е толкова силен, колкото този, произведен от стандартен лазерен йон лазер с алуминиев флуид 5W - всичко това само за зареждане на един телефон.

Има ли някакви нежелани реакции, за да имаме този вид греда, насочен близо до главите ни, през целия ден, всеки ден? ICNIRP (Международната комисия по защита от неионизираща радиация) отбелязва, че дори и без изгаряне на кожата, дългосрочното IR излагане може да причини хиперпигментация на кожата, мащабиране и телеангиектазии. Колко сме готови да рискуваме трайни увреждания на кожата на главата и шията при непрекъснато зареждане на нашите телефони?

Също така, предвид проблемите, свързани с линията на зрението, инфрачервената технология не е в състояние да захранва вградените устройства - в тялото, в стените, в ежедневните битови предмети или в нашите обувки. При захранването на 50-милиардните устройства на IoT, инфрачервеното зареждане може да формира само част от решението.

Ултразвук

В момента единственото стартиране за таксуване с ултразвук е uBeam, Пиезоелектричният датчик, използван в медицинския ултразвук, преобразува електрически сигнал в ултразвукови вълни и обратно. uBeam изследва начини за фокусиране на тази ултразвукова енергия, за да стане практически ефикасна и с по-дългосрочен обхват.

Въз основа на учените, традиционното разбиране на ултразвук, не е практично да се използва ултразвук за пренос на енергия. Тъй като ултразвуковите вълни се абсорбират на всеки интерфейс (особено между въздуха и твърдото вещество), тя е далеч по-малко способна да отразява повърхности от RF. По този начин ултразвукът има ограничен обхват и по-малко пътища към целевия приемник. Има няколко потенциални начина на изследване, които uBeam може да предприеме, за да направи това по-практично - но в интерес на запазването на интелектуалната си собственост, uBeam не говори.

uBeam показа демонстрации за зареждане на смартфон с прототип на пиезоелектричен датчик от 2 до 6. Скоростта на трансфер на мощност и нейната ефективност са все още неизвестни.

Един голям въпрос е как uBeam фокусира своите ултразвукови лъчи - особено, когато се опитва да увеличи диапазона - и дали това може да доведе до подобни странични ефекти, както при фокусирането с ултразвук с висока интензивност, използван за унищожаване на тумори. Фокусираният ултразвук обикновено води до кавитация (образуване на микробръбчета, които се люлеят, растат и в крайна сметка имплодират). Сривът на тези мехурчета води до ударна вълна и струи, които механично увреждат човешката тъкан. При по-високи интензитети този ефект е напълно непредсказуем. Цикълът на одобрение от Агенцията за хранителни режими може да е малко сложен.

Събиране на енергия

И накрая, има случаи че събирането на енергия от RF емисиите на телефона или от въздуха около вас. Тъй като този RF сигнал е включен в WiFi или 4G предаването на данни в телефона ви, тези случаи трябва да са селективни за това колко RF сигнал те събират и кога. В противен случай може да е малко като поставянето на телефона ви в метална кутия.

Също така, количеството енергия, което може да се събере от телефона ви, може да увеличи батерията на телефона ви най-много с 35 процента, тъй като по-голямата част от енергията на телефона ви все още се изразходва на екрана, аудио и мощност на обработка и като изхабена топлина.

Където сега стоят нещата

Нека бързо да прегледаме текущото състояние на безжичните технологии за таксуване:

  • Индуктивното прикачване - вече на пазара, се нуждае от по-голям обхват
  • Радиочестота - количеството на сигнала далеч надхвърля правилата на FCC, потенциалните рискове за здравето, нуждите на осиновителите
  • Лазери - признати рискове за здравето, несигурен регулаторен път, нуждае се от осиновители
  • Ултразвук - много без отговор, въпроси, одобрени от FDA, се нуждаят от осиновители
  • Реколтата на енергия - удължава живота на батерията, но не е пълно решение

Регулаторните проблеми са най-голямото препятствие за повечето стартиращи устройства за безжично зареждане. Всеки път, когато преминавате голямо количество енергия през въздуха, вие сте длъжни да ударите хората, които заемат това пространство.

Въз основа на своя опит, FCC вероятно ще бъде изправена пред по-лесна регулаторна агенция. Обикновено това означава "да", "не" или "чакай и виж" в кратък ред. FDA, от друга страна, има силна традиция на години от приложения и проучвания, за да получи одобрението си, което определено е разбираемо, тъй като гарантира здравето на хората по света. Тъй като много от технологиите за безжично зареждане носят противоречиви или признати рискове за здравето, изглежда разумно, че FDA може да прояви по-голям интерес към тези одобрения с течение на времето.

Следващият най-голям проблем е проблемът "пиле и яйца" (т.е. препятствията на пазара). За приемането на нова технология за безжично зареждане, трябва и двамата производители на телефони 1) да приемат приемника и потребителите на 2) и местата за приемане на предавателя. Във всеки един момент производителят вероятно ще избере само една безжична технология за зареждане, а убеждаването на потребителите и местата за провеждане на събития ще бъде много по-сложно.

Това е трудно предложение, особено когато вече сте изправени пред сложността на разработването на нова технология и смазването й за производство, регулаторните препятствия и много високите пределни разходи за производство на изцяло нов хардуер в малки партиди. След това има "радост", че се опитваме да продаваме на производители, потребители и фирми от цял ​​свят продукт, който все още не съществува.

Към днешна дата PowerMat е единственото стартиращо стартиране на безжични устройства за зареждане, което е взривено в решаването на проблема с пилето и яйцата - чрез учредяване на PMA, набиране на партньори в производството, преминаване от прототип към мащабно производство, създаване на дълга линия от потребителски продукти (с малко ограничен успех) и партньорство със Starbucks в няколкостотин пилотни мероприятия.

Взехме Powermat 9 години, за да стигнем до този момент, и те са прекарали голяма част от своите $ 250 милиона, отгледани досега. Предвид високите разходи за хардуер и инсталиране на място (извличане и възстановяване на плотове късно вечер), за тях е трудно да се разширят в още места - и те все още не са намерили жизнеспособен модел на приходи за тяхната безжична мрежа за таксуване. В края на миналата година изпълнителният директор на Powermat подаде оставка. Новият главен изпълнителен директор и съветът сега разработват къде да стигнете оттук.

Учейки се от предупредителната история на Powermat, всички други стартиращи устройства за безжично зареждане са се преместили единствено в технологична стратегия за лицензиране, като търсят на трети страни да решат пилето и яйцето. Всички освен "uBeam", която се забърква напред по стъпките на Powermat - освен с по-малко доказана технология, по-малко индустриални връзки, повече регулаторни рискове и много по-малко пари. Остава да се види колко успешни ще бъдат те.

Поглед напред

Засега всички говорят за конкуренцията между PMA и Qi, но това е само защото няма нищо друго на пазара. Безжичното зареждане не е като Betamax срещу VHS или Blu-Ray срещу HD DVD. Това е Netflix и Amazon Instant Video срещу iTunes срещу компактдисковете / DVD-та, които смятахме, че трябва да притежаваме. В края на деня, ако резонансната индуктивна връзка не постигне мащабни подобрения в разходите, ефективността и обхвата, една или повече от другите технологии ще поеме.

Ключът към карането на вълната е да остане възможно най-независим от технологиите. Никой не знае коя нова технология би могла първо да преодолее своите регулаторни препятствия и да я пусне на пазара - или точно кога може да се случи това. Признавайки тази реалност, PMA наскоро разшири обхвата си от индуктивно свързване с RF и подписа енергията си като партньор през декември миналата година.

Както показва Apple, това е по-рентабилно и по-малко главоболие, само за да изчакате и да видите. За да се получи широко разпространение, всяка технология ще се нуждае от производителите, местата, потребителите, няколко години на интензивен маркетинг и няколко милиарда долара за покриване на разходите за монтаж. Освен ако не сте свързани с една-единствена технология, това не е като тази вълна може да ви остави зад себе си.

Непрекъснато безжично зареждане ще дойде в крайна сметка - няма съмнение за това. Но има голям шанс, че технологията, която го носи, е един, за когото никой дори не е чувал. Стартиране, което все още не е основано, справяне с недостатъците на технологиите, които са се появили преди това. Когато технологията е най-накрая достатъчно добра, за да се измъкне от пътя, то тогава започва да променя живота на хората към по-добро.

Разбира се, имаме много дълъг път. Но не е ли страхотно да очакваме бъдеще, където батериите са чисто използвани като резервно копие? Там, където самата идея за "таксуване" е пътят на флопи дискове, печатните списания или (в крайна сметка) трафик от шофиране, управлявано от хора?

Може би пенсионирането на всяко от тези неща включва някаква нематериална загуба на нашата колективна история и култура. Но ние, за една, няма да пропуснем мисълта за зареждане - или тревога за живота на батерията - изобщо.

Моля, уведомете вашите мисли и въпроси в секцията за коментари по-долу.

Представено изображение: jabkitticha/Shutterstock

Оставете коментар

Този сайт използва Akismet за намаляване на спама. Научете как се обработват данните за коментарите ви.

GTranslate Your license is inactive or expired, please subscribe again!