Alimentazione wireless e ansia della durata della batteria


La durata della batteria è uno dei problemi più fastidiosi nella tecnologia mobile. In effetti, gli utenti di smartphone valutano costantemente la durata della batteria come il loro problema di 1. I consumatori vogliono batterie migliori, non indossabili. Il recente annuncio di Apple non è poi così sorprendente: iOS 9 avrà una modalità di risparmio energetico, che potrebbe fornire tre ore in più di autonomia.

Ma questo non risolve il problema della durata della batteria. Perché? L'utilizzo di energia delle app mobili e dei sistemi operativi continua ad aumentare, superando i graduali miglioramenti della capacità della batteria. Dal primo iPhone in 2007, durata della batteria netta misurata dal tempo di standby dell'iPhone è rimasto piattoe noterai che la maggior parte di noi ricarica i nostri telefoni più spesso di quanto abbiamo fatto con il nostro primo smartphone. Per quanto possiamo dire, questa tendenza continuerà per il prossimo futuro su tutte le piattaforme telefoniche.

Guardiamo più video, giochiamo, ascoltiamo podcast, permettiamo a più app di monitorare la nostra posizione, utilizzare accessori e indossabili abilitati Bluetooth e tenere aperte dozzine di app allo stesso tempo - tutte queste azioni consumano più energia.

Le batterie agli ioni di litio dei nostri telefoni sono generalmente valutate solo per ricaricare i tempi 300-500 e perdono capacità con l'età. Mantenere queste batterie cariche è la chiave per l'intero ecosistema mobile: dai fornitori e produttori, fino agli sviluppatori di app e alle startup del mobile commerce.

È qui che entra in gioco la potenza wireless.

I produttori stanno percependo la domanda. Entrate globali per trasmettitori e ricevitori di potenza wireless è previsto un aumento di $ 12 miliardi da 2020, da $ 750 milioni lo scorso anno. E la portata della potenza wireless va ben oltre gli smartphone: include ogni bit della tecnologia portatile o incorporata che stiamo per aggiungere al nostro mondo.

Il segnale wireless gestirà sia i dati che la potenza, collegando i dispositivi 50 miliardi che Cisco si aspetta nell'Internet of Things (IoT). Quest'anno, il CEO di Cisco, John Chambers, ha previsto una dimensione del mercato di $ 19 trilioni per Internet of Everything (IoE) negli anni 5. E la società di ricerche di mercato Gartner prevede un mercato di $ 300 miliardi di servizi per sostenere il boom di IoE.

Ma la potenza wireless è un termine ampio, che copre una gamma di tecnologie - molto dipende da entrambi dove è disponibile e quanto bene funziona davvero. Al momento, stiamo lottando con entrambe le domande, perché sono disponibili in commercio solo due varietà della stessa tecnologia di accoppiamento induttivo, con un intervallo di ricarica pratico fino a 4 pollici per i telefoni.

A lungo termine, tutti noi vogliamo una ricarica wireless continua in bar, ristoranti, bar, hotel, uffici, aeroporti, palestre, stadi e sì, anche auto Uber e Lyft e parchi pubblici. Non interrompere mai la giornata per "caricare" di nuovo: i tuoi dispositivi si ricaricheranno automaticamente ovunque tu vada.

La domanda è: come e quando arriviamo da qui a lì? E quale combinazione di tecnologie sarà necessaria? (Ad esempio, nessuna delle tecnologie attualmente in fase di sviluppo può alimentare con successo spazi esterni di grandi dimensioni).

Controlliamo lo stato della tecnologia di ricarica wireless, compresi quelli che potrebbero emergere nei prossimi anni. Ci sono molte sfide tecniche, normative e di marketing da superare. Speriamo tuttavia che i cavi di alimentazione e le custodie per la ricarica diventeranno obsoleti nei prossimi anni 10-15.

Accoppiamento induttivo

Il trasferimento di potenza induttivo è in circolazione dagli 1800. È stato inizialmente brevettato per alimentare in modalità wireless i treni ferroviari in 1892, ed è la tecnologia che alimenta oggi gli spazzolini da denti elettrici. Il Wireless Power Consortium (WPC), con il suo Qi standard di potenza induttivo, è stato fondato in 2008 ed è ancora la bobina di ricarica più popolare tra i produttori.

Le bobine Qi sono integrate nei telefoni di marche come LG, HTC, Motorola e Sony. Ikea ha recentemente annunciato una linea completa di mobili con bobine Qi incorporate. Storicamente, Qi si basa su un semplice accoppiamento induttivo, il che significa che ha una gamma molto ridotta. Proprio come lo spazzolino elettrico, la bobina del telefono deve riposare direttamente sopra la bobina di ricarica per farlo funzionare. Gli avanzamenti dipendono da risonanza magnetica, il mezzo più tipico per accoppiare strettamente le bobine. Ciò consente un efficiente trasferimento di potenza su distanze maggiori.

Powermat, fondata in 2006, è stata una delle prime startup di ricarica wireless ad utilizzare l'accoppiamento induttivo per i telefoni. I suoi primi prodotti arrivarono in 2009 e formò la Power Matters Alliance (PMA) con P & G in 2012, di cui anche Starbucks e AT & T sono membri del consiglio di amministrazione.

Dopo anni 9, Powermat ha lanciato i suoi dongle a bobina su diverse centinaia di Starbucks negli Stati Uniti ea Londra. Ma i dongle devono essere perfettamente allineati sui cerchi di ricarica (entro ~ 1 cm), ei costi di installazione per luogo rimangono piuttosto proibitivi. Per tutti gli scopi pratici, i telefoni potrebbero anche essere collegati con cavi. In realtà, se fossero appena collegati, sarebbe molto più facile usare il telefono e parlarne durante la ricarica.

Un altro avvio precoce in questo spazio è WiTricity, fondato in 2007. È stato estratto dal MIT da una varietà avanzata di accoppiamenti induttivi a risonanza, con una gamma di piedi fino a 8, sebbene questa distanza si sia rivelata molto difficile da commercializzare.

WiTricity può caricare in modalità wireless veicoli elettrici su una gamma di piedini 1-2, utilizzando bobine sufficientemente grandi; questo è attualmente in fase di immissione sul mercato. Demo recenti hanno anche addebitato i telefoni a una distanza di 2-4 pollici.

Tuttavia, se vogliamo caricare automaticamente i nostri telefoni su una gamma ideale di piedini 4 (ad esempio, la distanza tipica di un telefono da terra), occorrerebbero innumerevoli bobine 1-foot incorporate sotto i piedi e bobine più piccole incorporate nei telefoni. Vedremmo perdite di energia di oltre 95 percentuali e i costi di installazione sarebbero astronomici. È difficile fare di questa soluzione una ricarica continua, sebbene con più anni di ricerca e sviluppo l'efficienza aumenterà gradualmente.

In 2013, WiTricity ha aderito a uno standard concorrente, l'Alliance 4 Wireless Power (A4WP), che conta Qualcomm e Samsung tra i suoi membri. Gli standard uniti PMA e A4WP in 2014, adottando gli standard di risonanza di A4WP e l'API di rete aperta di PMA. I due gruppi di standard si sono fusi completamente all'inizio di quest'anno.

Negli ultimi tre anni, Qi ha anche iniziato a incorporare una modalità di accoppiamento induttivo risonante, anche se spetta ai produttori adottarlo come meglio credono. I primi chip PMA / Qi dual-mode sono usciti all'inizio dello scorso anno e telefoni come il Samsung S6 supportano entrambi gli standard.

Ricarica wireless - Tesla

Frequenza Radio

La radiofrequenza (RF) include un ampio spettro di onde elettromagnetiche. La maggior parte delle startup RF nella ricarica wireless, tuttavia, si concentra sulle bande 2.4GHz e 5.8GHz ISM, poiché queste bande ISM possono essere utilizzate senza una licenza. Su una nota storica, esiste il nostro standard 2.4GHz principalmente perché i forni a microonde di consumo funzionano a 2.45GHz - tutta la RF utilizzata nella ricarica wireless è la radiazione a microonde.

Ci sono una varietà di interessanti startup RF, le più conosciute Energous e Ossia. Alcune startup tentano di navigare su router wireless, poiché anche queste tendono a funzionare su 2.4GHz. Ma la quantità di RF prodotta da un router wireless standard è minuscola (5000 ha tempi inferiori al tipico telefono).

La ricarica RF non è difficile da dimostrare. Si basa in gran parte su tecnologie esistenti e variazioni sui transceiver nelle torri cellulari e nelle installazioni radar. Usa algoritmi per regolare dinamicamente i percorsi verso il ricevitore - se rimbalzare muri o creare Energous 'power' envelopes. '

Tuttavia, la quantità di energia trasmessa attraverso l'aria è incredibile, almeno 30 volte oltre le attuali linee guida della FCC per la sicurezza. Anche se i trasmettitori fossero efficienti per cento 100, l'installazione di uno sarebbe l'equivalente di mettere torri cellulari 1-3 nella tua stanza. Finché ne hai uno nei piedini 15, è sufficiente ricaricare il telefono automaticamente e continuamente. Ma in un mondo del genere, staremmo tutti a pochi passi dalle torri di celle per il resto delle nostre vite.

I rischi per la salute della RF sono controversi e non dimostrati, ma in 2011, l'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC), parte dell'Organizzazione mondiale della sanità (OMS), ha classificato RF come possibilmente cancerogeno agli umani. Questo è basato su un aumento del rischio di glioma, un cancro al cervello altamente aggressivo per 40, per gli utenti di cellulari che parlano sui loro telefoni più di 30 minuti al giorno su 10 anni. Stando in piedi all'interno di 5 di un trasmettitore Energous, un membro del pubblico otterrebbe livelli simili di esposizione in solo secondi al giorno.

Laser

Wi-Charge, una startup israeliana fondata in 2010, è la startup più famosa che utilizza i laser per ricaricare il telefono. Sono laser a infrarossi, quindi dipendono dalla linea di vista e l'efficienza su distanze è ragionevolmente alta. Finché hai il telefono dalla tasca e in vista del trasmettitore, si caricherà continuamente.

I rischi per la salute, però, sono un po 'preoccupanti. Tradizionalmente, la luce a infrarossi si trova in ambienti industriali - acciaierie, tessuti e produzione di carta e vetro - quindi l'esposizione all'infrarosso è generalmente regolamentata come parte della salute sul lavoro. L'infrarosso si trova tra le microonde e la luce visibile sullo spettro EMR, dove le onde sono impercettibili per gli esseri umani, ma hanno abbastanza potere per danneggiare i tessuti come la pelle e gli occhi.

Proprio come un raggio di luce focalizzato - ad esempio una lente d'ingrandimento e una formica - provoca ustioni, gli infrarossi focalizzati bruciano la pelle. Fortunatamente, di solito possiamo percepire quando la nostra pelle si sta surriscaldando e prendere provvedimenti per evitarlo. Lo stesso non è vero per i nostri occhi. L'infrarosso focalizzato alza gradualmente la temperatura interna dell'occhio, essenzialmente "cuocendolo", senza che sentiamo nulla. L'esposizione IR prolungata porta a cataratta, ulcere corneali e ustioni alla retina. Gli addetti del settore indossano la protezione per occhi e pelle con filtri IR o rivestimenti riflettenti per evitare danni.

Wi-Charge spera di impedirlo interrompendo il raggio infrarosso il più rapidamente possibile, quando qualcosa, ad esempio la testa di un utente, blocca la linea di vista. In teoria, ciò impedisce a un numero sufficiente di IR di colpire qualsiasi parte di una persona abbastanza a lungo da provocare un surriscaldamento significativo. Ma stiamo parlando di un raggio potente come quello prodotto da un laser a ioni di argon 5W standard - tutto solo per caricare un singolo telefono.

Ci sono effetti collaterali ad avere quel tipo di raggio puntato vicino alle nostre teste tutto il giorno, ogni giorno? L'ICNIRP (Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti) osserva che anche senza bruciare la pelle, l'esposizione a infrarossi a lungo termine può causare iperpigmentazione cutanea, desquamazione e teleangectasie. Quanto siamo disposti a rischiare danni permanenti alla testa e al collo alla ricerca di una carica continua per i nostri telefoni?

Inoltre, data la linea di problemi visivi, gli infrarossi non sono in grado di fornire energia ai dispositivi incorporati, sia nel corpo, all'interno delle pareti, negli oggetti domestici quotidiani o nelle scarpe. Alimentando i dispositivi 50 miliardi di IoT, la ricarica a infrarossi può costituire solo una parte della soluzione.

Ultrasuono

Al momento, l'unico avvio di ricarica basato su ultrasuoni è uBeam. Il trasduttore piezoelettrico, utilizzato nell'ecografia medica, trasforma un segnale elettrico in onde ultrasoniche e viceversa. uBeam sta esplorando modi per focalizzare l'energia degli ultrasuoni per renderla sia praticamente efficiente che a lungo raggio.

Basato su scienziati comprensione tradizionale degli ultrasuoni, non è stato pratico utilizzare gli ultrasuoni per trasferire energia. Perché le onde ultrasoniche vengono assorbite da ogni interfaccia (in particolare tra aria e materia solida), è molto meno in grado di riflettere le superfici rispetto a RF. Pertanto, l'ecografia ha un raggio limitato e meno percorsi verso il ricevitore target. Ci sono un paio di potenziali percorsi di ricerca che uBeam potrebbe aver preso per renderlo più pratico - ma nell'interesse di preservare la sua proprietà intellettuale, uBeam non sta parlando.

uBeam ha mostrato dimostrazioni di ricarica di uno smartphone, con un prototipo di custodia per trasduttore piezoelettrico, tra 2 e 6. Il tasso di trasferimento di potenza e la sua efficienza sono ancora sconosciuti.

Una grande domanda è come uBeam concentra i suoi fasci di ultrasuoni - specialmente quando tenta di aumentare la portata - e se ciò potrebbe causare effetti collaterali simili a quelli degli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità usati per distruggere i tumori. L'ecografia focalizzata generalmente porta alla cavitazione (formazione di microbolle, che oscillano, crescono e infine implodono). Il collasso di queste bolle provoca un'onda d'urto e getti che danneggiano meccanicamente il tessuto umano. A intensità più elevate, questo effetto è del tutto imprevedibile. Il ciclo di approvazione della FDA potrebbe essere un po 'complesso.

Raccolta di energia

Finalmente, ci sono casi che raccolgono energia dalle emissioni RF del telefono o dall'aria che ti circonda. Poiché il segnale RF è coinvolto nella trasmissione di dati del tuo telefono o WiFi 4G, questi casi devono essere selettivi su quanto segnale RF raccoglie e quando. Altrimenti, potrebbe essere un po 'come mettere il telefono in una scatola di metallo.

Inoltre, la quantità di energia raccolta dal tuo telefono può solo estendere la batteria del tuo telefono di 35 al massimo, poiché la maggior parte dell'energia del tuo telefono è ancora spesa sullo schermo, l'audio e la potenza di elaborazione, e come calore sprecato.

Dove stanno le cose ora

Rivediamo rapidamente lo stato attuale della tecnologia di ricarica wireless:

  • Accoppiamento induttivo - già sul mercato, ha bisogno di più autonomia
  • Frequenza radio: la quantità di segnale supera di gran lunga le norme FCC, i potenziali rischi per la salute, i bisogni degli utenti
  • Laser: rischi per la salute riconosciuti, percorso normativo incerto, bisogno di adottanti
  • Ultrasuoni - molte domande senza risposta, problemi di approvazione della FDA, ha bisogno di adottanti
  • Raccolta di energia: prolunga la durata della batteria, ma non una soluzione completa

Le questioni normative sono il principale ostacolo per la maggior parte delle startup di ricarica wireless. Ogni volta che passi grandi quantità di energia attraverso l'aria, sei destinato a colpire le persone che occupano quello spazio.

Sulla base dei precedenti, la FCC è probabilmente un'agenzia di regolamentazione più facile da affrontare. Generalmente fornisce un "sì", "no" o "aspetta e vedi" in breve tempo. La FDA, d'altra parte, ha una forte tradizione di anni di applicazioni e studi per ottenere la sua approvazione, che è sicuramente comprensibile in quanto garantisce la salute delle persone in tutto il mondo. Poiché molte tecnologie di ricarica wireless sopportano rischi sanitari controversi o riconosciuti, sembra ragionevole che la FDA possa interessare maggiormente queste approvazioni nel tempo.

Il prossimo problema più grande è il problema "pollo e uovo" (vale a dire, gli ostacoli al go-to-market). Per l'adozione di una nuova tecnologia di ricarica wireless, è necessario che entrambi i produttori di telefoni 1) adottino il ricevitore e 2) i consumatori e i luoghi per adottare il trasmettitore. In qualsiasi momento, un produttore probabilmente sceglierà una sola tecnologia di ricarica wireless da adottare, e convincere i consumatori e i luoghi è molto più complicato.

Questa è una proposta difficile, soprattutto quando si sta già affrontando la complessità dello sviluppo di una nuova tecnologia e della riduzione della produzione, degli ostacoli normativi e degli altissimi costi marginali della produzione di hardware completamente nuovo in piccoli lotti. Poi ci sono le "gioie" di provare a vendere a produttori, consumatori e aziende di tutto il mondo un prodotto che ancora non esiste.

Ad oggi, Powermat è l'unica startup di ricarica wireless ad aver risolto il problema del pollo e dell'uovo - co-fondando la PMA, reclutando partner di produzione, passando dal prototipo alla produzione su larga scala, creando una lunga serie di prodotti di consumo (con un successo piuttosto limitato) e collaborando con Starbucks in diverse centinaia di sedi pilota.

Ci sono voluti anni Powermat 9 per arrivare a questo punto, e hanno speso gran parte del loro $ 250 milioni raccolto finora. Dati i costi elevati dell'hardware e dell'installazione del luogo (strappare e ricostruire i controsoffitti a tarda notte), è stato difficile per loro espandersi in più luoghi - e non hanno ancora trovato un modello di entrate fattibile per la loro rete di ricarica wireless. Alla fine dell'anno scorso, l'amministratore delegato di Powermat si è dimesso. Il nuovo CEO e il consiglio di amministrazione stanno ora lavorando su dove andare da qui.

Imparando dal racconto di ammonimento di Powermat, tutte le altre startup di ricarica wireless sono passate esclusivamente a una strategia di licenza tecnologica, cercando terzi per risolvere il pollo e l'uovo. Tutti tranne uBeam, che si sta rapidamente proiettando sulle orme di Powermat - tranne che con una tecnologia meno collaudata, meno legami industriali, più rischi normativi e molto meno denaro. Resta da vedere quanto successo avranno.

Uno sguardo al futuro

Per ora, tutti parlano della competizione tra PMA e Qi, ma è solo perché non c'è nient'altro sul mercato. La ricarica wireless non è come Betamax vs VHS o Blu-Ray rispetto a HD DVD. È Netflix e Amazon Instant Video contro iTunes contro i CD / DVD che pensavamo di dover possedere. Alla fine della giornata, a meno che l'accoppiamento induttivo risonante non comporti enormi miglioramenti in termini di costi, efficienza e autonomia, una o più delle altre tecnologie prenderà il sopravvento.

La chiave per cavalcare l'onda è rimanere il più indipendenti dalla tecnologia possibile. Nessuno sa quale nuova tecnologia possa superare per prima i suoi ostacoli normativi e arrivare sul mercato - o esattamente quando ciò potrebbe accadere. Riconoscendo questa realtà, la PMA ha recentemente esteso la propria competenza dall'accoppiamento induttivo a RF e ha firmato Energous come partner lo scorso dicembre.

Come Apple ha dimostrato, è più economico e meno mal di testa solo per aspettare e vedere. Per ottenere un'adozione diffusa, qualsiasi tecnologia richiederà i produttori, i luoghi, i consumatori, un paio di anni di intenso marketing e qualche miliardo di dollari per coprire i costi di installazione. A meno che tu non sia legato a una singola tecnologia, non è come se quest'onda potesse lasciarti indietro.

La ricarica wireless continua arriverà alla fine - non c'è dubbio. Ma c'è una buona possibilità che la tecnologia che lo porta sia una che nessuno di noi ha mai sentito nominare. Una startup che deve ancora essere fondata, che affronta le carenze delle tecnologie che sono venute prima. Quando la tecnologia è finalmente abbastanza buona da poter essere tolta di mezzo, è allora che inizia a cambiare la vita delle persone per il meglio.

Certo, abbiamo una lunga strada da percorrere. Ma non è fantastico aspettarsi un futuro in cui le batterie vengano utilizzate esclusivamente come backup? Laddove l'idea stessa di "caricare" è la via dei floppy disk, delle riviste di stampa o (alla fine) traffico da guida umana?

Forse il ritiro di ciascuna di queste cose comporta una perdita immateriale per la nostra storia e cultura collettiva. Ma noi, per esempio, non ci mancherà il pensiero di caricare - o ansietà della batteria - affatto.

Per favore fateci sapere i vostri pensieri e domande nella sezione commenti qui sotto.

Foto di presentazione: jabkitticha/Shutterstock

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