Alimentation sans fil et l'anxiété de vie de la batterie


La vie de la batterie est l'un des problèmes les plus ennuyeux de la technologie mobile. En effet, les utilisateurs de smartphones évaluent systématiquement la durée de vie de la batterie comme leur n '1. Les consommateurs veulent meilleures batteries, pas portables. Donc, l'annonce récente d'Apple n'est pas si surprenante: iOS 9 aura un mode Low Power, ce qui pourrait fournir trois heures supplémentaires de la vie de la batterie.

Mais cela ne résout pas le problème de la durée de vie de la batterie. Pourquoi? La consommation électrique des applications mobiles et des systèmes d'exploitation continue d'augmenter, dépassant les améliorations progressives de la capacité de la batterie. Depuis le premier iPhone en 2007, la durée de vie de la batterie nette mesurée par l'heure d'attente de l'iPhone est resté plat, et vous remarquerez que la grande majorité d'entre nous charge nos téléphones plus souvent que nous avons fait avec notre premier smartphone. Pour autant que nous puissions le dire, cette tendance se poursuivra dans un avenir prévisible sur toutes les plateformes téléphoniques.

Nous regardons plus de vidéos, jouons à des jeux, écoutons des podcasts, permettons à plusieurs applications de suivre notre emplacement, utilisons des accessoires et des technologies portables Bluetooth et gardons des dizaines d'applications ouvertes en même temps - toutes ces actions drainent plus de puissance.

Les batteries au lithium-ion de nos téléphones ne sont généralement évaluées que pour recharger les batteries 300-500 et perdent en capacité à mesure qu'elles vieillissent. Garder ces batteries chargées est la clé de tout l'écosystème mobile: des fournisseurs et des fabricants jusqu'aux développeurs d'applications et aux startups de commerce mobile.

C'est là que l'énergie sans fil entre en jeu.

Les fabricants sont sensibles à la demande. Revenus mondiaux pour les émetteurs et les récepteurs d'énergie sans fil devraient dépasser 12 milliards par 2020, en hausse de $ 750 millions cette année. Et la portée de l'alimentation sans fil va bien au-delà des smartphones - elle inclut toutes les technologies portables ou embarquées que nous sommes sur le point d'ajouter à notre monde.

Le signal sans fil gérera à la fois les données et l'alimentation, en connectant les milliards de terminaux 50 que Cisco attend dans l'Internet des Objets (IoT). Au CES cette année, le PDG de Cisco, John Chambers, a prédit une taille de marché 19 milliards pour l'Internet of Everything (IoE) au cours des années 5. Et le cabinet d'études de marché Gartner prévoit un marché de services de 300 milliards pour soutenir le boom de l'IoE.

Mais l'énergie sans fil est un terme large, couvrant une gamme de technologies - beaucoup dépend à la fois c'est disponible et comment bien ça fonctionne vraiment. Pour le moment, nous nous débattons avec les deux questions, car seules deux variétés de la même technologie de couplage inductif sont disponibles dans le commerce, avec une plage de charge pratique allant jusqu'à 4 pouces pour les téléphones.

À long terme, nous voulons tous la recharge sans fil continue dans les cafés, restaurants, bars, hôtels, bureaux, aéroports, gymnases, stades et oui, même les voitures Uber et Lyft et les parcs publics. N'arrêtez jamais votre journée de «recharger» - vos appareils se chargeront automatiquement partout où vous allez.

La question est: comment et quand allons-nous d'ici à là? Et quelle combinaison de technologies sera nécessaire? (Par exemple, aucune des technologies actuellement en développement ne peut alimenter de grands espaces extérieurs).

Vérifions l'état de la technologie de recharge sans fil, y compris ceux qui pourraient se développer au cours des prochaines années. De nombreux défis techniques, réglementaires et marketing doivent être surmontés. Mais j'espère que nous rendrons les cordons d'alimentation et les boîtiers de batterie obsolètes au cours des prochaines années 10-15.

Couplage inductif

Le transfert de puissance inductif existe depuis les 1800. Il a d'abord été breveté pour alimenter sans fil des trains dans 1892, et c'est la technologie qui alimente les brosses à dents électriques aujourd'hui. Le Wireless Power Consortium (WPC), avec ses Qi inductive power standard, a été fondée en 2008, et est toujours la bobine de charge la plus populaire parmi les fabricants.

Les bobines Qi sont intégrées dans les téléphones de marques telles que LG, HTC, Motorola et Sony. Ikea a récemment annoncé une gamme complète de meubles avec des bobines Qi intégrées. Historiquement, Qi est basé sur un simple couplage inductif, ce qui signifie qu'il a très peu de portée. Tout comme la brosse à dents électrique, la bobine du téléphone doit reposer directement sur la bobine de charge pour que cela fonctionne. Les progrès dépendent de résonance magnétique, le moyen le plus typique de coupler étroitement les bobines. Cela permet un transfert de puissance efficace sur de plus grandes distances.

Powermat, fondée en 2006, a été l'une des premières startups de recharge sans fil à utiliser le couplage inductif pour les téléphones. Ses premiers produits sont venus dans 2009, et il a formé Power Matters Alliance (PMA) avec P & G dans 2012, dont Starbucks et AT & T sont également membres du conseil d'administration.

Après les années 9, Powermat a déployé ses dongles à bobines sur plusieurs centaines de Starbucks aux États-Unis et à Londres. Mais les dongles doivent être parfaitement alignés sur les cercles de chargement (dans ~ 1 cm), et les coûts d'installation par site restent plutôt prohibitifs. À toutes fins pratiques, les téléphones pourraient également être branchés avec des câbles. En fait, s'ils étaient juste branchés, il serait beaucoup plus facile d'utiliser votre téléphone et d'en parler pendant le chargement.

Une autre démarrage précoce dans cet espace est WiTricity, fondée en 2007. Il a été dérivé du MIT à partir d'une variété avancée de couplage inductif résonnant, avec une gamme de pieds 8, bien que cette distance se soit révélée très difficile à commercialiser.

WiTricity peut charger sans fil des véhicules électriques sur une gamme de pieds 1-2, en utilisant des bobines suffisamment grandes; ceci est actuellement mis sur le marché. Des démos récentes ont également chargé des téléphones à une distance de 2-4 pouces.

Cependant, si nous voulons charger nos téléphones automatiquement à une gamme idéale de pieds 4 (disons, la distance typique d'un téléphone au sol), il faudrait d'innombrables bobines 1-foot encastrées sous le pied et de plus petites bobines intégrées dans les téléphones. Nous verrions des pertes d'énergie bien supérieures à 95 et les coûts d'installation seraient astronomiques. Il est difficile d'en faire une solution de recharge continue, mais avec plus d'années de R & D, l'efficacité augmentera progressivement.

Dans 2013, WiTricity a rejoint une norme concurrente, l'Alliance 4 Wireless Power (A4WP), qui compte Qualcomm et Samsung parmi ses membres. PMA et A4WP ont fusionné les normes dans 2014, en adoptant les normes de résonance d'A4WP et l'API de réseau ouvert de PMA. Les deux groupes de normalisation ont entièrement fusionné plus tôt cette année.

Au cours des trois dernières années, Qi a également commencé à incorporer un mode de couplage inductif résonant, bien qu'il appartienne aux fabricants de l'adopter comme bon leur semble. Les premières puces PMA / Qi à double mode sont sorties l'année dernière, et les téléphones comme le Samsung S6 supportent les deux standards.

Charge sans fil - Tesla

Radio Fréquence

La fréquence radio (RF) comprend un large spectre d'ondes électromagnétiques. Cependant, la plupart des démarrages RF en charge sans fil se concentrent sur les bandes ISM 2.4GHz et 5.8GHz, puisque ces bandes ISM peuvent être utilisées sans licence. Sur une note historique, notre norme 2.4GHz existe Principalement parce que les fours à micro-ondes grand public fonctionnent à 2.45GHz - tous les RF utilisés pour la recharge sans fil sont des micro-ondes.

Il existe une variété de startups RF intéressantes, dont les plus connues sont Énergique et Ossia. Quelques startups tentent de se greffer sur des routeurs sans fil, car ceux-ci tendent également à fonctionner à 2.4GHz. Mais la quantité de RF produite par un routeur sans fil standard est minuscule (5000 fois moins que le téléphone typique).

La charge RF n'est pas difficile à démontrer. Il est largement basé sur les technologies existantes et les variations sur les émetteurs-récepteurs dans les tours cellulaires et les installations radar. Il utilise des algorithmes pour ajuster dynamiquement les trajectoires du récepteur - qu'il s'agisse de rebondir sur les murs ou de créer des enveloppes «puissantes» Energous.

Cependant, la quantité d'énergie transmise par l'air est incroyable, au moins 30 fois au-delà des directives actuelles de la FCC pour la sécurité. Même si les transmetteurs étaient efficaces en pourcentage 100, l'installation d'un serait l'équivalent de l'installation de tours cellulaires 1-3 dans votre pièce. Tant que vous en avez un dans les pieds 15, il suffit de recharger votre téléphone automatiquement et en continu. Mais dans un tel monde, nous vivrions tous à quelques mètres des tours de téléphonie cellulaire pour le reste de notre vie.

Les risques pour la santé liés aux RF sont controversés et non prouvés, mais dans 2011, le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC), membre de l'Organisation mondiale de la santé (OMS), peut-être cancérogène aux humains. Ceci est basé sur un pourcentage de 40 risque accru de gliome, un cancer du cerveau très agressif, pour les utilisateurs de téléphones portables qui parlent sur leurs téléphones plus de minutes 30 par jour au cours des années 10. Debout dans les pieds 5 d'un émetteur Energous, un membre du public obtiendrait des niveaux d'exposition similaires en seulement quelques secondes par jour.

Lasers

Wi-Charge, une start-up israélienne fondée en 2010, est la startup la plus connue utilisant des lasers pour recharger son téléphone. Ce sont des lasers infrarouges, ils dépendent donc de la ligne de vue, et l'efficacité sur les distances est raisonnablement élevée. Tant que vous avez votre téléphone hors de votre poche, et en vue de l'émetteur, il se chargera continuellement.

Les risques pour la santé, cependant, sont un peu inquiétants. Traditionnellement, la lumière infrarouge se trouve dans les milieux industriels - aciéries, textiles et fabrication de papier et de verre - de sorte que l'exposition infrarouge est généralement réglementée dans le cadre de la santé au travail. L'infrarouge se situe entre les micro-ondes et la lumière visible sur le spectre EMR, où les ondes sont imperceptibles aux humains, mais ont assez de pouvoir pour endommager les tissus comme la peau et les yeux.

Tout comme un rayon de soleil focalisé - disons, une loupe et une fourmi - provoque des brûlures, l'infrarouge focalisé va brûler la peau. Heureusement, nous pouvons habituellement sentir lorsque notre peau est en surchauffe et prendre des mesures pour l'éviter. La même chose n'est pas vraie de nos yeux. L'infrarouge focalisé augmente graduellement la température interne de l'œil, essentiellement en le «faisant cuire», sans que nous sentions une chose. Une exposition IR prolongée conduit à des cataractes, des ulcères cornéens et des brûlures rétiniennes. Les travailleurs de l'industrie portent une protection oculaire et cutanée avec des filtres IR ou des revêtements réfléchissants pour éviter les dommages.

Wi-Charge espère éviter cela en interrompant le faisceau infrarouge le plus rapidement possible, lorsque quelque chose - disons, la tête d'un utilisateur - bloque la ligne de visée. En théorie, cela empêche suffisamment de RI de frapper n'importe quelle partie d'une personne pendant assez longtemps pour provoquer une surchauffe importante. Mais nous parlons d'un faisceau aussi puissant que celui produit par un laser à ions argon 5W standard - tout simplement pour charger un seul téléphone.

Y a-t-il des effets secondaires à ce que ce type de faisceau soit dirigé près de nos têtes toute la journée, tous les jours? L'ICNIRP (Commission internationale sur la radioprotection non ionisante) note que même sans brûler la peau, une exposition IR à long terme peut causer hyperpigmentation cutanée, desquamation et télangiectasies. Combien sommes-nous prêts à risquer des dommages permanents à la tête et au cou à la poursuite d'une charge continue pour nos téléphones?

En outre, compte tenu des problèmes de ligne de vue, l'infrarouge est incapable d'alimenter les dispositifs embarqués - que ce soit dans le corps, dans les murs, dans les objets ménagers de tous les jours ou dans nos chaussures. En alimentant les milliards d'appareils 50 d'IoT, la charge infrarouge ne peut constituer qu'une partie de la solution.

Ultrason

À l'heure actuelle, le seul démarrage de charge par ultrasons est uBeam. Le transducteur piézoélectrique, utilisé en échographie médicale, transforme un signal électrique en ondes ultrasonores et vice versa. uBeam étudie les moyens de concentrer cette énergie ultrasonore pour la rendre à la fois efficace et à plus long terme.

Basé sur des scientifiques compréhension traditionnelle de l'échographie, il n'a pas été pratique d'utiliser des ultrasons pour transférer de l'énergie. Parce que les ondes ultrasonores sont absorbées à chaque interface (en particulier entre l'air et les matières solides), il est beaucoup moins capable de réfléchir les surfaces que les RF. Ainsi, l'échographie a une portée limitée et moins de voies vers le récepteur cible. Il y a quelques pistes de recherche potentielles que uBeam a pu prendre pour rendre cela plus pratique - mais dans le but de préserver sa propriété intellectuelle, uBeam ne parle pas.

uBeam a montré des démonstrations de chargement d'un smartphone, avec un prototype de boîtier de transducteur piézoélectrique, entre les pieds 2 et 6. Le taux de transfert de puissance et son efficacité sont encore inconnus.

Une grande question est de savoir comment uBeam concentre ses faisceaux d'ultrasons - en particulier quand il essaie d'augmenter la portée - et si cela peut entraîner des effets secondaires similaires à ceux de l'ultrason focalisé de haute intensité utilisé pour détruire les tumeurs. L'échographie focalisée entraîne généralement une cavitation (formation de microbulles, qui oscillent, se développent et finissent par imploser). L'effondrement de ces bulles entraîne une onde de choc et des jets qui endommagent mécaniquement les tissus humains. À des intensités plus élevées, cet effet est entièrement imprévisible. Le cycle d'approbation de la FDA peut être un peu complexe.

Récupération d'énergie

Enfin, il y a cas qui récupèrent l'énergie des émissions RF du téléphone ou de l'air autour de vous. Parce que ce signal RF est impliqué dans la transmission de données WiFi ou 4G de votre téléphone, ces cas doivent être sélectifs sur la quantité de signal RF qu'ils récoltent, et quand. Sinon, cela pourrait être un peu comme mettre votre téléphone dans une boîte en métal.

En outre, la quantité d'énergie récupérable sur votre téléphone ne peut que prolonger la batterie de votre téléphone de 35 au maximum, puisque la majorité de l'énergie de votre téléphone est encore dépensée sur l'écran, l'audio et la puissance de traitement.

Là où les choses se tiennent

Passons rapidement en revue l'état actuel de la technologie de recharge sans fil:

  • Le couplage inductif - déjà sur le marché, a besoin de plus de portée
  • Fréquence radio - la quantité de signal dépasse de loin les règlements de la FCC, les risques potentiels pour la santé, les besoins des adoptants
  • Lasers - risques pour la santé reconnus, voie réglementaire incertaine, besoins des adoptants
  • Ultrason - de nombreuses questions sans réponse, les questions d'approbation de la FDA, a besoin des adoptants
  • Récolte d'énergie - prolonge la durée de vie de votre batterie, mais pas une solution complète

Les problèmes de réglementation constituent le plus gros obstacle pour la plupart des démarrages de recharge sans fil. Chaque fois que vous passez de grandes quantités d'énergie dans l'air, vous devez frapper les gens qui occupent cet espace.

Sur la base de ses antécédents, la FCC est probablement une agence de réglementation plus facile à faire face. Il fournit généralement un "oui", "non" ou "attendre et voir" en peu de temps. La FDA, d'autre part, a une longue tradition d'applications et d'études pour obtenir son approbation, ce qui est tout à fait compréhensible car elle assure la santé des gens dans le monde entier. Étant donné que de nombreuses technologies de recharge sans fil présentent des risques pour la santé controversés ou reconnus, il semble raisonnable que la FDA s'intéresse davantage à ces approbations au fil du temps.

Le problème le plus important est le problème de la «poule et l'œuf» (c.-à-d. Les obstacles à la mise en marché). Pour l'adoption d'une nouvelle technologie de recharge sans fil, vous avez besoin des deux fabricants de téléphones 1) pour adopter le récepteur, et 2) des consommateurs et des sites pour adopter l'émetteur. À tout moment, un fabricant choisira probablement une seule technologie de recharge sans fil à adopter - et convaincre les consommateurs et les lieux est beaucoup plus compliqué.

C'est une proposition difficile, surtout lorsque vous êtes déjà confronté aux complexités du développement d'une nouvelle technologie et à la réduction de la production, aux obstacles réglementaires et aux coûts marginaux très élevés de la production de matériel entièrement nouveau en petites séries. Il y a ensuite les «joies» d'essayer de vendre aux fabricants, aux consommateurs et aux entreprises du monde entier un produit qui n'existe pas encore.

À ce jour, Powermat est la seule entreprise de recharge sans fil à résoudre le problème de la poule et de l'œuf - en cofondant la PMA, en recrutant des partenaires de fabrication, en passant d'un prototype à une production à grande échelle. (avec un succès quelque peu limité) et en partenariat avec Starbucks dans plusieurs centaines de sites pilotes.

Il a fallu des années à Powermat 9 pour arriver à ce stade, et ils ont dépensé une grande partie de leur million $ 250 amassé à ce jour. Compte tenu des coûts élevés du matériel et de l'installation des sites (arrachant et reconstruire des comptoirs tard dans la nuit), il leur a été difficile de s'étendre à d'autres sites - et ils n'ont pas encore trouvé de modèle de revenus viable pour leur réseau de recharge sans fil. À la fin de l'année dernière, le PDG de Powermat a démissionné. Le nouveau chef de la direction et le nouveau conseil travaillent maintenant à partir d'ici.

Tirant les leçons du récit édifiant de Powermat, toutes les autres startups de recharge sans fil se sont tournées uniquement vers une stratégie de licence de technologie, cherchant des tiers pour résoudre le problème de la poule et de l'œuf. Tous sauf uBeam, qui se faufile dans les pas de Powermat - sauf avec une technologie moins éprouvée, moins de liens avec l'industrie, plus de risques réglementaires et beaucoup moins d'argent. Il reste à voir comment ils vont réussir.

Regard vers l'avenir

Pour l'instant, tout le monde parle de la concurrence entre PMA et Qi, mais c'est seulement parce qu'il n'y a rien d'autre sur le marché. La recharge sans fil n'est pas comme Betamax vs VHS, ou Blu-Ray vs HD DVD. C'est Netflix et Amazon Instant Video vs iTunes par rapport aux CD / DVD que nous avions l'habitude de penser que nous avions besoin de posséder. À la fin de la journée, à moins que le couplage inductif résonnant n'améliore considérablement le coût, l'efficacité et la portée, une ou plusieurs autres technologies prendront le relais.

La clé de la vague est de rester aussi indépendant que possible de la technologie. Personne ne sait quelle nouvelle technologie pourrait d'abord surmonter ses obstacles réglementaires et la mettre sur le marché - ou exactement quand cela pourrait se produire. Reconnaissant cette réalité, le PMA a récemment élargi son champ d'action du couplage inductif au RF et signé Energous on en tant que partenaire en décembre dernier.

Comme Apple l'a montré, c'est plus rentable et moins de maux de tête à attendre et à voir. Pour une adoption généralisée, toute technologie aura besoin des fabricants, des sites, des consommateurs, de quelques années de marketing intense et de quelques milliards de dollars pour couvrir les coûts d'installation. À moins d'être lié à une seule technologie, ce n'est pas comme si cette vague pouvait vous laisser derrière.

La recharge sans fil continue viendra finalement - il n'y a aucun doute à ce sujet. Mais il y a de fortes chances que la technologie qui en est à l'origine ne soit pas encore connue de tous. Une start-up qui n'a pas encore été créée, répondant aux insuffisances des technologies antérieures. Quand la technologie est finalement assez bonne pour que ça puisse s'échapper, c'est alors que ça commence à changer la vie des gens pour le mieux.

Accordé, nous avons un long chemin à parcourir. Mais n'est-ce pas génial d'espérer un avenir où les batteries sont purement utilisées comme sauvegarde? Là où l'idée même de "charger" va de pair avec les disquettes, imprimer des magazines ou (finalement) le trafic provenant de la conduite humaine?

Retraiter chacune de ces choses implique peut-être une perte intangible pour notre histoire collective et notre culture. Mais pour notre part, nous ne manquerons pas du tout l'idée de charger ou d'angoisser la vie de la batterie.

S'il vous plaît laissez-nous savoir vos pensées et vos questions dans la section des commentaires ci-dessous.

L'image sélectionnée: jabkitticha/Shutterstock

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les spams. Découvrez comment vos données de commentaire sont traitées.

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