Wireless Power und Akkulaufzeit Angst


Die Akkulaufzeit ist eines der ärgsten Probleme in der mobilen Technologie. In der Tat, Smartphone-Nutzer bewerten Akkulaufzeit als ihre Nr. 1 meckern. Verbraucher wollen bessere Batterien, keine Wearables. So ist Apples jüngste Ankündigung nicht so überraschend: iOS 9 wird einen Energiesparmodus haben, der zusätzliche drei Stunden Akkulaufzeit bieten könnte.

Aber das löst das Problem mit der Akkulaufzeit nicht. Warum? Der Stromverbrauch von mobilen Apps und Betriebssystemen steigt weiter und übertrifft die schrittweise Verbesserung der Akkukapazität. Seit dem ersten iPhone in 2007, Netto-Akkulaufzeit gemessen durch iPhone Standby-Zeit ist flach gebliebenund Sie werden feststellen, dass die überwiegende Mehrheit von uns unsere Telefone öfter auflädt als mit unserem ersten Smartphone. Soweit wir sehen können, wird sich dieser Trend auf absehbare Zeit auf allen Telefonplattformen fortsetzen.

Wir sehen uns mehr Videos an, spielen Spiele, hören Podcasts, erlauben mehreren Apps, unseren Standort zu verfolgen, verwenden Bluetooth-fähiges Zubehör und Wearables und halten gleichzeitig Dutzende von Apps offen - all diese Aktionen verbrauchen mehr Energie.

Die Lithium-Ionen-Akkus unserer Telefone sind normalerweise nur für das Aufladen von 300-500-Zeiten ausgelegt und verlieren mit zunehmendem Alter an Kapazität. Diese Batterien zu laden ist der Schlüssel für das gesamte mobile Ökosystem: von Lieferanten und Herstellern bis hin zu App-Entwicklern und Mobile-Commerce-Startups.

Hier kommt Wireless Power ins Spiel.

Hersteller spüren die Nachfrage. Weltweiter Umsatz für drahtlose Sender und Empfänger werden voraussichtlich über $ 12 Milliarden von 2020 steigen, von $ 750 Millionen im vergangenen Jahr. Und die Reichweite von Wireless-Power reicht weit über Smartphones hinaus - sie beinhaltet jede Menge portabler oder eingebetteter Technologie, die wir unserer Welt hinzufügen werden.

Das drahtlose Signal verwaltet sowohl Daten als auch Strom und verbindet die 50-Milliarden-Geräte, die Cisco im Internet of Things (IoT) erwartet. Auf der CES prognostizierte der CEO von Cisco, John Chambers, innerhalb von 19 Jahren eine Marktgröße von $ 5 Billionen für das Internet of Everything (IoE). Und das Marktforschungsunternehmen Gartner erwartet einen $ 300 Milliarden-Service-Markt, um den IoE-Boom zu unterstützen.

Aber drahtlose Energie ist ein weit gefasster Begriff, der eine Reihe von Technologien abdeckt - viel hängt von beiden ab woher es ist verfügbar und wie gut es funktioniert tatsächlich. Im Moment kämpfen wir mit beiden Fragen, da nur zwei Varianten der gleichen induktiven Kopplungstechnologie im Handel erhältlich sind, mit einem praktischen Ladebereich von bis zu 4 Zoll für Telefone.

Langfristig wollen wir alle kontinuierlich kabellos in Cafés, Restaurants, Bars, Hotels, Büros, Flughäfen, Fitnessstudios, Stadien und ja, sogar Uber und Lyft Autos und öffentlichen Parks aufladen. Hören Sie nie wieder auf zu "Aufladen" - Ihre Geräte werden automatisch überall aufgeladen.

Die Frage ist: Wie und wann kommen wir von hier nach dort? Und welche Kombination von Technologien wird benötigt? (Zum Beispiel kann keine der Technologien, die derzeit entwickelt werden, große Außenräume erfolgreich versorgen).

Lassen Sie uns den Stand der Technologie für das drahtlose Laden überprüfen, einschließlich der Frage, welche sich in den nächsten Jahren entwickeln könnte. Es gibt viele technische, regulatorische und marketingtechnische Herausforderungen zu bewältigen. Aber hoffentlich werden wir in den nächsten 10-15-Jahren Stromkabel und Batterieladefälle überflüssig machen.

Induktive Kopplung

Induktive Energieübertragung gibt es seit den 1800s. Es wurde zum ersten Mal patentiert, um Eisenbahnzüge in 1892 drahtlos zu versorgen, und es ist die Technologie, die elektrische Zahnbürsten heute antreibt. Das Wireless Power Consortium (WPC) mit seinem Qi inductive Power Standard, wurde in 2008 gegründet und ist immer noch die beliebteste Ladespule unter den Herstellern.

Qi-Spulen sind in Handys von Marken wie LG, HTC, Motorola und Sony eingebaut. Ikea hat kürzlich eine komplette Möbelserie mit eingebauten Qi-Spulen angekündigt. Historisch basiert Qi auf einer einfachen induktiven Kopplung, was bedeutet, dass es eine sehr geringe Reichweite hat. Genau wie die elektrische Zahnbürste muss die Spule des Telefons direkt auf der Ladespule ruhen, damit sie funktioniert. Fortschritte hängen davon ab Magnetresonanz, das typischste Mittel zum dichten Koppeln von Spulen. Dies ermöglicht eine effiziente Leistungsübertragung über größere Entfernungen.

Powermat, gegründet in 2006, war eines der ersten Unternehmen, das drahtlose Ladestationen für die induktive Kopplung von Telefonen einsetzte. Die ersten Produkte kamen in 2009 und bildeten die Power Matters Alliance (PMA) mit P & G in 2012, zu der auch Starbucks und AT & T gehören.

Nach den 9-Jahren hat Powermat seine Coil-Dongles über mehrere hundert Starbucks in den USA und London eingeführt. Aber die Dongles müssen nahezu perfekt auf den Ladekreisen (innerhalb ~ 1 cm) ausgerichtet sein, und die Installationskosten pro Veranstaltungsort bleiben ziemlich unerschwinglich. Für alle praktischen Zwecke können die Telefone ebenso mit Kabeln eingesteckt werden. Eigentlich, wenn sie nur eingesteckt wären, wäre es viel einfacher, Ihr Telefon zu benutzen und während des Ladevorgangs darüber zu reden.

Ein weiterer früher Start in diesem Bereich ist WiTricity, gegründet in 2007. Es wurde aus einer fortgeschrittenen Vielzahl von resonanten induktiven Kopplungen mit einer Reichweite von bis zu 8-Füßen aus dem MIT herausgesponnen, obwohl diese Distanz sich als sehr schwierig zu kommerzialisieren erwiesen hat.

WiTricity kann elektrische Fahrzeuge an einer Reihe von 1-2-Füßen drahtlos laden, indem ausreichend große Spulen verwendet werden; Dies wird derzeit auf den Markt gebracht. Neueste Demos haben auch Telefone in einer Entfernung von 2-4 Zoll geladen.

Wenn wir jedoch unsere Telefone automatisch auf eine ideale Reichweite von 4-Füßen aufladen möchten (z. B. die typische Entfernung eines Telefons vom Boden), wären unzählige 1-Fußspulen unter den Füßen und kleinere Spulen in den Telefonen erforderlich. Wir würden Energieverluste von weit über 95 Prozent sehen, und die Installationskosten wären astronomisch. Es ist schwer, dies zu einer Lösung für das kontinuierliche Laden zu machen, obwohl mit mehr Jahren der Forschung und Entwicklung die Effizienz allmählich steigen wird.

In 2013 trat WiTricity einem konkurrierenden Standard bei, der Allianz 4 Wireless Power (A4WP), der Qualcomm und Samsung zu seinen Mitgliedern zählt. PMA und A4WP fusionierten Standards in 2014 und verwendeten die Resonanzstandards von A4WP und die offene Netzwerk-API von PMA. Die beiden Standardgruppen wurden Anfang des Jahres vollständig zusammengeführt.

In den vergangenen drei Jahren hat Qi auch damit begonnen, einen resonanten induktiven Kopplungsmodus zu integrieren, obwohl es den Herstellern überlassen ist, dies so zu übernehmen, wie sie es für richtig halten. Die ersten Dual-Mode-PMA / Qi-Chips kamen Anfang letzten Jahres heraus, und Handys wie das Samsung S6 unterstützen beide Standards.

Kabelloses Laden - Tesla

Radiofrequenz

Radiofrequenz (RF) umfasst ein breites Spektrum von elektromagnetischen Wellen. Die meisten HF-Startups beim kabellosen Laden konzentrieren sich jedoch auf die 2.4GHz- und 5.8GHz-ISM-Bänder, da diese ISM-Bänder ohne Lizenz verwendet werden können. In historischer Hinsicht existiert unser 2.4GHz-Standard hauptsächlich, weil Verbraucher-Mikrowellenherde arbeiten bei 2.45GHz - die gesamte RF, die beim kabellosen Laden verwendet wird, ist Mikrowellenstrahlung.

Es gibt eine Vielzahl von interessanten HF-Startups, von denen die bekanntesten sind Energisch und Ossia. Einige Start-ups versuchen, auf drahtlosen Routern zu pendeln, da diese auch bei 2.4GHz arbeiten. Aber die Menge an RF, die von einem Standard-WLAN-Router erzeugt wird, ist winzig (5000 mal weniger als das typische Telefon).

RF-Laden ist nicht schwer zu demonstrieren. Es basiert weitgehend auf bestehenden Technologien und Variationen der Transceiver in Mobilfunkmasten und Radaranlagen. Er verwendet Algorithmen, um die Pfade zum Empfänger dynamisch anzupassen - egal, ob er von Wänden abprallt oder energiereiche 'Power'-Hüllen erzeugt.'

Allerdings ist die Menge an Energie, die durch die Luft übertragen wird, unglaublich, mindestens 30 mal über den aktuellen Sicherheitsrichtlinien der FCC. Selbst wenn die Sender 100-effizient wären, würde die Installation eines solchen Systems dem Einsatz von 1-3-Funkmasten in Ihrem Raum gleichkommen. Solange Sie einen 15-Fuß haben, genügt es, Ihr Telefon automatisch und kontinuierlich aufzuladen. Aber in einer solchen Welt würden wir alle für den Rest unseres Lebens einige Meter von den Mobilfunkmasten entfernt wohnen.

Die Gesundheitsrisiken von RF sind umstritten und nicht bewiesen, aber in 2011 hat die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC), Teil der Weltgesundheitsorganisation (WHO), RF als möglicherweise krebserregend zu Menschen. Dies basiert auf einem 40-Prozent erhöhten Risiko von Gliom, einem hochgradig aggressiven Hirntumor, für Handybenutzer, die mehr als 30-Minuten pro Tag über 10-Jahre auf ihren Handys telefonieren. Wenn ein Mitglied der Öffentlichkeit innerhalb von 5-Füßen eines Energous-Senders steht, würde er in nur wenigen Sekunden pro Tag ein ähnliches Belichtungsniveau erreichen.

Laser

Wi-Charge, ein israelisches Startup, das in 2010 gegründet wurde, ist das bekannteste Startup, das mit Hilfe von Lasern das Telefon auflädt. Da es sich um Infrarotlaser handelt, sind sie abhängig von der Sichtlinie und die Effizienz über Entfernungen ist ziemlich hoch. Solange Sie Ihr Telefon aus der Tasche haben und es sich in Sichtweite des Senders befindet, wird es ständig geladen.

Die gesundheitlichen Risiken sind jedoch ein wenig beunruhigend. Traditionell wird Infrarotlicht in industriellen Umgebungen - Stahlwerken, Textilien und Papier- und Glasherstellung - gefunden, so dass die Infrarot-Exposition in der Regel als Teil der Gesundheit am Arbeitsplatz reguliert wird. Infrarot liegt zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht auf dem EMR-Spektrum, wo die Wellen für Menschen nicht wahrnehmbar sind, aber genug Kraft haben, um Gewebe wie Haut und Augen zu schädigen.

So sehr ein fokussierter Sonnenstrahl - etwa eine Lupe und eine Ameise - Verbrennungen verursacht, wird fokussiertes Infrarot die Haut verbrennen. Glücklicherweise können wir normalerweise feststellen, wenn unsere Haut überhitzt ist und Schritte unternehmen, um es zu vermeiden. Das gleiche gilt nicht für unsere Augen. Fokussiertes Infrarot erhöht allmählich die innere Temperatur des Auges und "backt" es im Wesentlichen, ohne dass wir etwas fühlen. Längere IR-Exposition führt zu Katarakten, Hornhautgeschwüren und Netzhautverbrennungen. Industriearbeiter tragen einen Augen- und Hautschutz mit IR-Filtern oder reflektierenden Beschichtungen, um Schäden zu vermeiden.

Wi-Charge will dies verhindern, indem es den Infrarotstrahl so schnell wie möglich unterbricht, wenn etwas - etwa der Kopf eines Benutzers - die Sichtlinie blockiert. Theoretisch verhindert dies, dass genügend IR jemals einen Teil einer Person lang genug trifft, um eine signifikante Überhitzung zu verursachen. Aber wir sprechen von einem Strahl, der so stark ist wie der von einem Standard-5W-Argon-Gas-Ionen-Laser - alles nur, um ein einzelnes Telefon aufzuladen.

Gibt es irgendwelche Nebenwirkungen, wenn diese Art von Strahl den ganzen Tag, jeden Tag in die Nähe unserer Köpfe gerichtet ist? Die ICNIRP (Internationale Kommission für nichtionisierenden Strahlenschutz) stellt fest, dass, auch ohne die Haut zu verbrennen, langfristige IR-Exposition kann verursachen Hauthyperpigmentierung, Schuppenbildung und Teleangiektasien. Wie viel sind wir bereit, dauerhafte Kopf- und Nackenschäden an der Haut zu riskieren, wenn wir eine kontinuierliche Gebühr für unsere Telefone anstreben?

Angesichts der Probleme mit der Sichtlinie ist Infrarot nicht in der Lage, eingebettete Geräte mit Strom zu versorgen - sei es im Körper, in den Wänden, in alltäglichen Haushaltsgegenständen oder in unseren Schuhen. Bei der Stromversorgung der 50-Milliarden-Geräte von IoT kann das Infrarot-Laden nur einen Teil der Lösung bilden.

Ultraschall

Im Moment ist der einzige ultraschallbasierte Lade-Startup UBeam. Der piezoelektrische Wandler, wie er im medizinischen Ultraschall verwendet wird, wandelt ein elektrisches Signal in Ultraschallwellen um und umgekehrt. uBeam erforscht Wege, um diese Ultraschallenergie so zu fokussieren, dass sie sowohl praktisch effizient als auch längerreich ist.

Basierend auf Wissenschaftlern traditionelles Verständnis von Ultraschallwar es nicht praktisch, Ultraschall zur Übertragung von Energie zu verwenden. Weil Ultraschallwellen an jeder Schnittstelle absorbiert werden (insbesondere zwischen Luft und Feststoffen), ist es weit weniger in der Lage, von Oberflächen zu reflektieren als RF. Daher hat Ultraschall eine begrenzte Reichweite und weniger Wege zum Zielempfänger. Es gibt ein paar mögliche Forschungswege, die uBeam vielleicht praktischer gemacht hat - aber um sein geistiges Eigentum zu bewahren, spricht UBeam nicht.

UBeam hat gezeigt, wie man ein Smartphone mit einem piezoelektrischen Wandlergehäuse zwischen 2 und 6 Füßen auflädt. Die Rate der Leistungsübertragung und ihre Effizienz sind noch unbekannt.

Eine große Frage ist, wie uBeam seine Ultraschallstrahlen fokussiert - insbesondere, wenn es versucht, die Reichweite zu erhöhen - und ob dies zu ähnlichen Nebenwirkungen führen könnte wie der hochintensive fokussierte Ultraschall, der zur Zerstörung von Tumoren verwendet wird. Fokussierter Ultraschall führt im Allgemeinen zu Kavitation (Bildung von Mikroblasen, die oszillieren, wachsen und schließlich implodieren). Der Zusammenbruch dieser Blasen führt zu einer Schockwelle und zu Strahlen, die das menschliche Gewebe mechanisch schädigen. Bei höheren Intensitäten ist dieser Effekt völlig unvorhersehbar. Der FDA-Zulassungszyklus ist möglicherweise etwas komplex.

Energiegewinnung

Endlich gibt es Fälle das ernten Energie von Telefon HF-Emissionen oder aus der Luft um Sie herum. Da dieses HF-Signal an der WLAN- oder 4G-Datenübertragung Ihres Telefons beteiligt ist, müssen diese Fälle selektiv sein, wie viel HF-Signal sie wann empfangen. Ansonsten könnte es ein bisschen so sein, als würde man sein Handy in eine Metallbox stecken.

Außerdem kann die Menge an Energie, die von Ihrem Telefon entnommen werden kann, die Batterie Ihres Telefons höchstens um 35 Prozent erweitern, da der Großteil der Energie Ihres Telefons noch auf dem Bildschirm, der Audio- und Verarbeitungsleistung und als Abwärme verbraucht wird.

Wo die Dinge jetzt stehen

Lassen Sie uns den aktuellen Stand der kabellosen Ladetechnologie kurz überprüfen:

  • Induktive Kopplung - bereits auf dem Markt, benötigt mehr Reichweite
  • Radiofrequenz - Signalmenge bei weitem übersteigt FCC-Vorschriften, potenzielle Gesundheitsrisiken, Bedürfnisse Adopters
  • Laser - erkannte Gesundheitsrisiken, unsicherer regulatorischer Weg, braucht Anwender
  • Ultraschall - viele unbeantwortete Fragen, FDA-Zulassungsfragen, braucht Anwender
  • Energy Harvesting - verlängert die Akkulaufzeit, ist jedoch keine vollständige Lösung

Regulatorische Probleme sind die größte Hürde für die meisten drahtlosen Startups. Wann immer du große Energiemengen durch die Luft schickst, musst du die Leute treffen, die diesen Raum besetzen.

Basierend auf seiner Erfolgsbilanz ist die FCC wahrscheinlich eine leichtere Regulierungsbehörde. Es bietet im Allgemeinen ein "Ja", "Nein" oder "warten und sehen" in kurzer Reihenfolge. Die FDA hat auf der anderen Seite eine starke Tradition von Jahren der Anwendungen und Studien, um seine Zustimmung zu erhalten, die durchaus verständlich ist, da es die Gesundheit von Menschen auf der ganzen Welt sichert. Da viele drahtlose Ladetechnologien entweder kontroverse oder anerkannte Gesundheitsrisiken aufweisen, erscheint es vernünftig, dass die FDA im Laufe der Zeit ein größeres Interesse an diesen Zulassungen hat.

Das nächste große Problem ist das "Henne-und-Ei" -Problem (dh die Markteintrittshürden). Für die Einführung einer neuen drahtlosen Ladetechnologie benötigen Sie beide 1) Telefonhersteller, um den Empfänger und 2) Verbraucher und Veranstaltungsorte zu übernehmen, um den Sender zu übernehmen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird ein Hersteller wahrscheinlich nur eine einzige drahtlose Ladetechnologie auswählen - und Verbraucher und Veranstaltungsorte zu überzeugen, ist viel komplizierter.

Das ist ein schwieriges Unterfangen, vor allem, wenn Sie bereits mit der Komplexität einer neuen Technologie konfrontiert sind und diese für die Produktion schrumpfen, die regulatorischen Hürden und die sehr hohen Grenzkosten für die Produktion völlig neuer Hardware in kleinen Serien. Dann gibt es die "Freuden" zu versuchen, an Hersteller, Verbraucher und Unternehmen auf der ganzen Welt ein Produkt zu verkaufen, das noch nicht ganz existiert.

Bis heute ist Powermat das einzige Startup-Unternehmen für kabellose Ladestationen, das das Problem von Hühnern und Eiern gelöst hat - durch die Gründung der PMA, die Rekrutierung von Produktionspartnern, den Wechsel von Prototypen- zu Großserienproduktion und die Schaffung einer langen Reihe von Konsumgütern (mit etwas begrenztem Erfolg) und die Zusammenarbeit mit Starbucks in mehreren hundert Piloteinrichtungen.

Es hat Powermat 9 Jahre gebraucht, um an diesen Punkt zu kommen, und sie haben einen Großteil ihrer $ 250 Millionen bisher ausgegeben. Angesichts der hohen Kosten für Veranstaltungsort-Hardware und Installation (Arbeitsplatten spät in der Nacht herausreißen und wiederaufbauen), war es für sie schwierig, sich auf weitere Standorte auszudehnen - und sie müssen noch ein tragfähiges Erlösmodell für ihr drahtloses Ladesystem finden. Ende letzten Jahres ist der CEO von Powermat zurückgetreten. Der neue CEO und der Vorstand arbeiten nun daran, von hier aus weiter zu gehen.

Nach den Warnungen von Powermat haben sich alle anderen Start-ups für kabellose Ladungen einzig und allein auf eine Technologie-Lizenzierungsstrategie konzentriert und sich an Dritte gewandt, um das Huhn und das Ei zu lösen. Alles außer uBeam, das in die Fußstapfen von Powermat stürzt - nur mit einer weniger bewährten Technologie, weniger Branchenbindungen, mehr regulatorischen Risiken und viel weniger Geld. Es bleibt abzuwarten, wie erfolgreich sie sein werden.

Looking Ahead

Momentan reden alle von der Konkurrenz zwischen PMA und Qi, aber nur, weil es nichts anderes auf dem Markt gibt. Kabelloses Laden ist nicht wie Betamax vs. VHS oder Blu-Ray vs. HD DVD. Es ist Netflix und Amazon Instant Video im Vergleich zu iTunes im Vergleich zu den CDs / DVDs, von denen wir glaubten, dass wir sie besitzen müssten. Wenn keine resonante induktive Kopplung massive Verbesserungen bei Kosten, Effizienz und Reichweite erreicht, werden am Ende des Tages eine oder mehrere der anderen Technologien die Oberhand gewinnen.

Der Schlüssel zum Fahren der Welle ist, so technologieunabhängig wie möglich zu bleiben. Niemand weiß, welche neue Technologie ihre regulatorischen Hürden zuerst überwinden und zum Markt bringen könnte - oder wann genau das passieren könnte. In Anbetracht dieser Tatsache hat die PMA kürzlich ihren Anwendungsbereich von der induktiven Kopplung auf RF erweitert und im letzten Dezember Energous als Partner unterzeichnet.

Wie Apple gezeigt hat, ist es kosteneffektiver und weniger Kopfschmerzen, nur abzuwarten. Um eine breite Akzeptanz zu erreichen, wird jede Technologie die Hersteller, die Veranstaltungsorte, die Verbraucher, ein paar Jahre intensiven Marketings und einige Milliarden Dollar benötigen, um die Installationskosten zu decken. Wenn Sie nicht an eine einzige Technologie gebunden sind, ist es nicht so, dass diese Welle Sie zurücklassen kann.

Kontinuierliches kabelloses Laden wird irgendwann kommen - daran gibt es keinen Zweifel. Aber es gibt eine gute Chance, dass die Technologie, von der sie ausgeht, niemand hat, von dem wir bisher gehört haben. Ein noch zu gründendes Startup, das auf die Defizite der bisherigen Technologien eingeht. Wenn die Technologie endlich gut genug ist, dass sie aus dem Weg gehen kann, dann beginnt sie, das Leben der Menschen zum Besseren zu verändern.

Zugegeben, wir haben noch einen langen Weg vor uns. Aber ist es nicht toll, sich auf eine Zukunft zu freuen, in der Batterien nur als Backup dienen? Wo die Idee von "Aufladen" den Weg von Disketten, Printmagazinen oder (schließlich) Verkehr von Menschen betriebenes Fahren?

Vielleicht bedeutet das Zurücktreten jedes dieser Dinge einen immateriellen Verlust für unsere kollektive Geschichte und Kultur. Aber wir werden den Gedanken des Aufladens - oder der Akku-Lebensangst - überhaupt nicht verpassen.

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Ausgewähltes Bild: Jabkitticha/Shutterstock

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