Draadloos vermogen en batterijlevensduur


Levensduur van de batterij is een van de meest irritante problemen in mobiele technologie. Gebruikers van smartphones beoordelen consequent de levensduur van de batterij als hun nummer 1-klacht. Consumenten willen betere batterijen, geen wearables. De recente aankondiging van Apple is daarom niet zo verrassend: iOS 9 heeft een Low Power-modus, die een extra batterijduur van drie uur zou kunnen bieden.

Maar dat lost het probleem met de levensduur van de batterij niet op. Waarom? Het stroomverbruik van mobiele apps en besturingssystemen blijft stijgen, sneller dan de geleidelijke verbeteringen in de batterijcapaciteit. Sinds de eerste iPhone in 2007 is de levensduur van de batterij gelijk aan de iPhone-standbytijd is plat geblevenen je zult merken dat de overgrote meerderheid van ons onze telefoons vaker oplaadt dan met onze eerste smartphone. Voor zover we kunnen nagaan, zal deze trend zich in de nabije toekomst voortzetten op alle telefoonplatforms.

We bekijken meer video's, spelen games, luisteren naar podcasts, staan ​​meerdere apps toe om onze locatie bij te houden, gebruiken Bluetooth-accessoires en wearables en houden tientallen apps tegelijkertijd open - al deze acties zorgen voor meer power.

De lithium-ionbatterijen van onze telefoons hebben doorgaans alleen een rating om 300-500 keer op te laden en verliezen hun capaciteit naarmate ze ouder worden. Die accu's opgeladen houden is de sleutel voor het hele mobiele ecosysteem: van leveranciers en fabrikanten, tot app-ontwikkelaars en startups voor mobiele commerce.

Dat is waar draadloos vermogen binnenkomt.

Fabrikanten voelen de vraag. Wereldwijde inkomsten voor draadloze energiemeters en -ontvangers Verwacht wordt dat 12 $ 2020 miljard zal overschrijden, het afgelopen jaar gestegen van $ 750 miljoen. En het bereik van draadloos vermogen gaat veel verder dan smartphones - het omvat elk beetje draagbare of ingesloten technologie die we gaan toevoegen aan onze wereld.

Het draadloze signaal zal zowel data als stroom beheren en de 50 miljard apparaten verbinden die Cisco verwacht in het Internet of Things (IoT). Tijdens CES dit jaar voorspelde CEO John Chambers van Cisco een $ 19 biljoen marktgrootte voor het Internet of Everything (IoE) binnen 5-jaren. En marktonderzoeksbureau Gartner verwacht een $ 300 miljard dienstenmarkt om de IoE-boom te ondersteunen.

Maar draadloos vermogen is een brede term, die een reeks technologieën bestrijkt - veel hangt van beide af WAAR het is beschikbaar en hoe goed het werkt echt. Op dit moment worstelen we met beide vragen, omdat er slechts twee varianten van dezelfde inductieve koppelingstechnologie in de handel verkrijgbaar zijn, met een praktisch laadbereik tot 4 inches voor telefoons.

Op lange termijn willen we allemaal continu draadloos opladen in cafés, restaurants, bars, hotels, kantoren, luchthavens, sportscholen, stadions en ja, zelfs Uber- en Lyft-auto's en openbare parken. Stop nooit je dag om opnieuw op te laden - je apparaten worden automatisch overal opgeladen.

De vraag is: hoe en wanneer komen we van hier tot daar? En welke combinatie van technologieën is nodig? (Geen van de technologieën die momenteel worden ontwikkeld, kan bijvoorbeeld grote buitenruimten met succes aandrijven).

Laten we eens kijken naar de status van technologie voor draadloos opladen, inclusief welke technologie de komende jaren kan worden uitgezet. Er zijn veel technische, regelgevende en marketinguitdagingen om te overwinnen. Maar hopelijk maken we netsnoeren en oplaadmogelijkheden voor batterijen overbodig in de volgende 10-15-jaren.

Inductieve koppeling

Inductieve overdracht van vermogen bestaat al sinds de 1800s. Het werd voor het eerst gepatenteerd om treinen in 1892 draadloos van stroom te voorzien, en het is de technologie die tegenwoordig elektrische tandenborstels aandrijft. Het Wireless Power Consortium (WPC), met zijn Qi inductieve vermogensstandaard, werd opgericht in 2008 en is nog steeds de populairste oplaadspoel onder fabrikanten.

Qi-spoelen zijn ingebouwd in telefoons van merken als LG, HTC, Motorola en Sony. Ikea heeft onlangs een volledige meubellijn met ingebouwde Qi-spoelen aangekondigd. Historisch gezien is Qi gebaseerd op eenvoudige inductieve koppeling, wat betekent dat het heel weinig bereik heeft. Net als de elektrische tandenborstel moet de spoel van de telefoon direct op de oplaadspoel rusten om te werken. Voorschotten zijn afhankelijk van magnetische resonantie, de meest typische manier om spoelen stevig aan elkaar te koppelen. Dit maakt een efficiënte krachtoverbrenging over grotere afstanden mogelijk.

Powermat, opgericht in 2006, was een van de vroegste starters voor draadloos opladen om inductieve koppeling voor telefoons te gebruiken. De eerste producten kwamen in 2009 en het vormde de Power Matters Alliance (PMA) met P & G in 2012, waarvan Starbucks en AT & T ook bestuursleden zijn.

Na 9-jaren heeft Powermat zijn spoel-dongels uitgerold over honderden Starbucks in de VS en Londen. Maar de dongles moeten bijna perfect zijn uitgelijnd op de oplaadcirkels (binnen ~ 1 cm), en de installatiekosten per locatie blijven nogal onbetaalbaar. Voor alle praktische doeleinden kunnen de telefoons net zo goed worden aangesloten op kabels. Als ze gewoon zijn aangesloten, is het veel gemakkelijker om je telefoon te gebruiken en er tijdens het opladen over te praten.

Een andere vroege startup in deze ruimte is WiTricity, opgericht in 2007. Het werd uit MIT gecentrifugeerd vanuit een geavanceerde variëteit aan resonante inductieve koppeling, met een bereik van maximaal 8-poten, hoewel deze afstand zeer moeilijk is te commercialiseren.

WiTricity kan elektrische voertuigen draadloos opladen op een reeks 1-2-voetjes, met voldoende grote spoelen; dit wordt momenteel op de markt gebracht. Recente demo's hebben telefoons ook opgeladen op een afstand van 2-4 inches.

Als we onze telefoons echter automatisch willen laden op een ideaal bereik van 4-voetjes (bijvoorbeeld de typische afstand van een telefoon tot de grond), dan zijn er ontelbare 1-voetspoelen ingebouwd en kleinere spoelen ingebed in telefoons. We zouden energieverliezen zien van ruim 95 procent, en de installatiekosten zouden astronomisch zijn. Het is moeilijk om dit een oplossing te maken voor continu opladen, maar met meer jaren R & D zal de efficiëntie geleidelijk toenemen.

In 2013 sloot WiTricity zich aan bij een concurrerende standaard, de Alliance 4 Wireless Power (A4WP), die Qualcomm en Samsung tot zijn leden telt. PMA en A4WP samengevoegd normen in 2014, de resonantienormen van A4WP en de open netwerk-API van PMA. De twee normgroepen zijn begin dit jaar volledig samengevoegd.

In de afgelopen drie jaar is Qi ook begonnen met het inbouwen van een resonante inductieve koppelingsmodus, hoewel het aan fabrikanten is om dit naar eigen goeddunken te gebruiken. De eerste dual-mode PMA / Qi-chips kwamen begin vorig jaar uit, en telefoons zoals de Samsung S6 ondersteunen beide standaarden.

Draadloos opladen - Tesla

Radiofrequentie

Radiofrequentie (RF) omvat een breed spectrum van elektromagnetische golven. De meeste RF-startups met draadloos opladen richten zich echter op de 2.4GHz- en 5.8GHz ISM-banden, aangezien deze ISM-banden zonder een licentie kunnen worden gebruikt. Historisch gezien bestaat onze 2.4GHz-standaard vooral omdat consumentenmagnetronovens werken op 2.45GHz - alle RF die bij draadloos opladen wordt gebruikt, is microgolfstraling.

Er zijn een aantal interessante RF-startups, waarvan de bekendste zijn Energous en ossia. Een paar startups proberen om meeliften op draadloze routers, omdat deze ook de neiging hebben om te werken op 2.4GHz. Maar de hoeveelheid RF geproduceerd door een standaard draadloze router is minuscuul (5000 keer minder dan de standaardtelefoon).

RF-opladen is niet moeilijk om aan te tonen. Het is grotendeels gebaseerd op bestaande technologieën en variaties op de transceivers in zendmasten en radarinstallaties. Het maakt gebruik van algoritmen om de paden naar de ontvanger dynamisch aan te passen - of ze nu van muren afstuiteren of energieke 'power'-enveloppen maken.'

De hoeveelheid energie die door de lucht wordt doorgegeven is echter ongelooflijk, tenminste 30 gaat verder dan de huidige richtlijnen voor veiligheid van de FCC. Zelfs als de zenders 100 procent efficiënt waren, zou het installeren van een vergelijkbaar zijn met het plaatsen van 1-3-cellentorens in uw kamer. Zolang je er een hebt bij 15-voeten, volstaat het om je telefoon automatisch en continu op te laden. Maar in zo'n wereld zouden we ons de rest van ons leven op een paar meter afstand van de zendmast bevinden.

De gezondheidsrisico's van RF zijn controversieel en onbewezen, maar in 2011 heeft het Internationaal Agentschap voor Onderzoek naar Kanker (IARC), onderdeel van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO), RF geclassificeerd als mogelijk kankerverwekkend voor mensen. Dit is gebaseerd op een 40 procent verhoogd risico op glioom, een zeer agressieve hersenkanker, voor mobiele gebruikers die meer dan 30 minuten per dag praten over hun telefoons gedurende 10 jaar. Als u zich binnen 5-poten van een energieke zender bevindt, krijgt een lid van het publiek in slechts enkele seconden per dag vergelijkbare belichtingsniveaus.

Lasers

Wi-Charge, een Israëlische startup opgericht in 2010, is de bekendste startup met behulp van lasers om je telefoon op te laden. Het zijn infraroodlasers, dus ze zijn afhankelijk van de gezichtslijn en de efficiëntie over de afstanden is redelijk hoog. Zolang u uw telefoon uit uw zak hebt en in het zicht van de zender, zal deze continu opladen.

De gezondheidsrisico's zijn echter een beetje zorgwekkend. Traditioneel wordt infraroodlicht gevonden in industriële omgevingen - staalfabrieken, textiel en papier- en glasfabricage - dus wordt de blootstelling aan infrarood over het algemeen gereguleerd als onderdeel van de gezondheid op het werk. Infrarood ligt tussen microgolven en zichtbaar licht op het EMR-spectrum, waar de golven niet waarneembaar zijn voor mensen, maar die voldoende kracht hebben om weefsel zoals de huid en ogen te beschadigen.

Net zoals een gerichte straal zonlicht - zeg een vergrootglas en een mier - brandwonden veroorzaakt, zal gefocusseerd infrarood de huid verbranden. Gelukkig kunnen we meestal voelen wanneer onze huid oververhit raakt en stappen ondernemen om dit te voorkomen. Hetzelfde geldt niet voor onze ogen. Gericht infrarood verhoogt geleidelijk de interne temperatuur van het oog, waardoor het in wezen wordt "gebakken", zonder dat we iets voelen. Langdurige blootstelling aan IR leidt tot cataracten, cornea-zweren en brandwonden in het netvlies. Werknemers in de industrie dragen oog- en huidbescherming met IR-filters of reflecterende coatings om schade te voorkomen.

Wi-Charge hoopt dit te voorkomen door de infraroodstraal zo snel mogelijk te onderbreken, wanneer iets - zeg een hoofd van een gebruiker - de gezichtslijn blokkeert. In theorie voorkomt dit dat er voldoende IR is om ooit een deel van een persoon lang genoeg te raken om oververhitting te veroorzaken. Maar we hebben het hier over een straal die zo sterk is als die door een standaard 5W-argon-gasionenlaser wordt geproduceerd - alles om een ​​enkele telefoon op te laden.

Zijn er bijwerkingen die elke dag, elke dag, in de buurt van onze hoofden worden gericht? De ICNIRP (International Commission on Nonionizing Radiation Protection) merkt op dat, zelfs zonder de huid te verbranden, langdurige IR-blootstelling kan veroorzaken hyperpigmentatie van de huid, schilfering en telangiëctasieën. Hoeveel willen we permanente hoofd- en nekschade oplopen als gevolg van voortdurende kosten voor onze telefoons?

Bovendien kan infrarood, vanwege problemen met de zichtlijn, geen vermogen leveren aan ingebedde apparaten - in het lichaam, binnen de muren, in huishoudelijke voorwerpen of in onze schoenen. Bij het voeden van de 50 miljard apparaten van IoT, kan infrarood opladen slechts een deel van de oplossing vormen.

Ultrageluid

Op dit moment is de enige op echografie gebaseerde opladingstartup uBeam. De piëzo-elektrische transducer, zoals gebruikt in medische ultrasound, transformeert een elektrisch signaal in ultrasone golven en vice versa. uBeam onderzoekt manieren om die ultrasone energie te focussen om het zowel praktisch efficiënt als langer bereik te maken.

Gebaseerd op wetenschappers ' traditioneel begrip van echografie, het was niet praktisch om ultrageluid te gebruiken om energie over te brengen. Omdat ultrasone golven worden geabsorbeerd op elke interface (vooral tussen lucht en vaste stof), is het veel minder geschikt om oppervlakken te reflecteren dan RF. Aldus heeft ultrageluid een beperkt bereik en minder paden naar de doelontvanger. Er zijn een aantal potentiële onderzoekstrajecten die uBeam mogelijk heeft genomen om dit praktischer te maken - maar in het belang van het behoud van zijn intellectuele eigendom, spreekt uBeam niet.

uBeam heeft demo's getoond van het opladen van een smartphone, met een prototype piëzo-elektrische transducerbehuizing, van tussen 2 en 6 voeten weg. De snelheid van energieoverdracht en de efficiëntie ervan zijn nog onbekend.

Een grote vraag is hoe uBeam zijn ultrageluidstralen richt - vooral als het probeert het bereik te vergroten - en of dat zou kunnen leiden tot vergelijkbare bijwerkingen als de gefocuste echografie met hoge intensiteit die wordt gebruikt om tumoren te vernietigen. Gerichte echografie resulteert meestal in cavitatie (vorming van microbelletjes, die oscilleren, groeien en uiteindelijk imploderen). Het instorten van deze bellen resulteert in een schokgolf en stralen die mechanisch het menselijke weefsel beschadigen. Bij hogere intensiteiten is dit effect volledig onvoorspelbaar. De goedkeuringscyclus van de FDA kan een beetje ingewikkeld zijn.

Energieoogst

Eindelijk, er zijn gevallen die energie halen uit RF-emissies van de telefoon of uit de lucht om je heen. Omdat dat RF-signaal betrokken is bij de WiFi- of 4G-gegevensoverdracht van uw telefoon, moeten deze gevallen selectief zijn over hoeveel RF-signaal ze oogsten en wanneer. Anders is het misschien een beetje alsof u uw telefoon in een metalen doos plaatst.

Bovendien kan de hoeveelheid energie die kan worden geoogst uit je telefoon alleen de batterij van je telefoon uitbreiden met maximaal 35 procent, aangezien het grootste deel van de energie van je telefoon nog steeds wordt besteed aan beeld, geluid en verwerkingskracht en als verspilde warmte.

Waar dingen nu staan

Laten we snel de huidige status van technologie voor draadloos opladen bekijken:

  • Inductieve koppeling - die al op de markt is, heeft meer bereik nodig
  • Radiofrequentie - hoeveelheid signaal is veel groter dan FCC-voorschriften, potentiële gezondheidsrisico's, behoeften adopters
  • Lasers - erkende gezondheidsrisico's, onzekere regelgevende route, heeft adopters nodig
  • Echografie - veel onbeantwoorde vragen, FDA-goedkeuringsproblemen, behoeften aan adoptanten
  • Energieoogst - verlengt de levensduur van uw batterij, maar niet een volledige oplossing

Regelgevingsproblemen vormen de grootste hindernis voor de meeste startups met draadloos opladen. Wanneer je grote hoeveelheden energie door de lucht stuurt, ben je gebonden aan de mensen die die ruimte bezetten.

Op basis van zijn staat van dienst is de FCC waarschijnlijk een eenvoudiger regelgevend agentschap. Het biedt over het algemeen een "ja", "nee" of "afwachten" in korte volgorde. De FDA heeft daarentegen een sterke traditie van jaren van toepassingen en studies om goedkeuring te krijgen, wat zeker begrijpelijk is omdat het de gezondheid van mensen over de hele wereld waarborgt. Omdat veel draadloze oplaadtechnologieën controversiële of erkende gezondheidsrisico's dragen, lijkt het redelijk dat de FDA in de loop van de tijd meer belangstelling zou kunnen tonen voor deze goedkeuringen.

Het volgende probleem is het probleem "kip en het ei" (dat wil zeggen, de go-to-market-hindernissen). Voor de goedkeuring van een nieuwe draadloze oplaadtechnologie hebt u beide 1) -telefoonfabrikanten nodig om de ontvanger en 2) -gebruikers en -locaties over te nemen om de zender te gebruiken. Op een bepaald moment zal een fabrikant waarschijnlijk maar één draadloze oplaadtechnologie selecteren om te gebruiken - en overtuigen consumenten en locaties is veel gecompliceerder.

Dat is een moeilijke propositie, vooral wanneer je al geconfronteerd wordt met de complexiteit van het ontwikkelen van een nieuwe technologie en het inkrimpen voor productie, de wettelijke obstakels en de zeer hoge marginale kosten van het produceren van volledig nieuwe hardware in kleine batches. Dan zijn er de "vreugden" om te proberen fabrikanten, consumenten en bedrijven over de hele wereld een product te verkopen dat nog niet helemaal bestaat.

Tot op heden is Powermat de enige initiator voor draadloos opladen die een poging heeft gedaan om het probleem van kip en eieren op te lossen - door de PMA mede te stichten, productiepartners te werven, van prototype naar grootschalige productie te gaan en een lange reeks consumentenproducten te creëren (met een enigszins beperkt succes) en samenwerking met Starbucks in enkele honderden pilot-locaties.

Het heeft Powermat 9 jaren gekost om dit punt te bereiken en ze hebben veel van hun $ 250 miljoen uitgegeven tot nu toe uitgegeven. Gezien de hoge kosten van locatiehardware en -installatie (uitroeiing en wederopbouw van werkbladen laat in de nacht), het is voor hen moeilijk geweest om uit te breiden naar meer locaties - en ze moeten nog een haalbaar verdienmodel vinden voor hun draadloze oplaadnetwerk. Aan het einde van vorig jaar nam de CEO van Powermat ontslag. De nieuwe CEO en het bestuur zijn nu aan het werk om van hieruit verder te gaan.

Door te leren van het waarschuwingsverhaal van Powermat zijn alle andere starters met draadloze opladen alleen overgestapt op een technologie-licentiestrategie, op zoek naar derden om de kip en het ei op te lossen. Allemaal behalve uBeam, die op volle toeren voortstormt in de voetsporen van Powermat - behalve met minder bewezen technologie, minder brancheverhoudingen, meer regelgevingsrisico's en veel minder geld. Het valt nog te bezien hoe succesvol ze zullen zijn.

Vooruitkijkend

Voor nu praat iedereen over de concurrentie tussen PMA en Qi, maar dat komt alleen omdat er niets anders op de markt is. Draadloos opladen is niet hetzelfde als Betamax versus VHS of Blu-Ray vs. HD DVD. Het is Netflix en Amazon Instant Video versus iTunes versus de cd's / dvd's waarvan we dachten dat we die moesten bezitten. Aan het einde van de dag, tenzij resonante inductieve koppeling enorme verbeteringen in kosten, efficiëntie en bereik realiseert, zullen een of meer van de andere technologieën het overnemen.

De sleutel tot het rijden met de golf is om zo technologisch onafhankelijk mogelijk te blijven. Niemand weet welke nieuwe technologie zijn wettelijke hindernissen het eerst zal overwinnen en het op de markt brengen - of precies wanneer dat kan gebeuren. Deze realiteit erkennend, heeft de PMA recentelijk haar bevoegdheden uitgebreid van inductieve koppeling tot RF en afgelopen december als partner bij Energous aangemeld.

Zoals Apple heeft laten zien, is het meer kosteneffectief en minder hoofdpijn dan afwachten. Om wijdverspreide acceptatie te krijgen, heeft elke technologie de fabrikanten, de locaties, de consumenten, een paar jaar van intense marketing en een paar miljard dollar nodig om installatiekosten te dekken. Tenzij je bent gebonden aan een enkele technologie, is het niet zo dat deze golf je achter kan laten.

Continu draadloos opladen zal uiteindelijk komen - daar bestaat geen twijfel over. Maar er is een goede kans dat de technologie die het tot stand brengt een is waarvan niemand van ons ooit heeft gehoord. Een start-up die nog moet worden opgericht, waarbij de tekortkomingen van de eerder ontwikkelde technologieën worden aangepakt. Wanneer technologie eindelijk goed genoeg is om uit de weg te kunnen gaan, begint dat het leven van mensen ten goede te veranderen.

Toegegeven, we hebben nog een lange weg te gaan. Maar is het niet geweldig om vooruit te kijken naar een toekomst waarin batterijen puur als back-up worden gebruikt? Waar het idee van "opladen" de weg gaat van floppy disks, printmagazines of (tenslotte) verkeer van door mensen bestuurd rijden?

Misschien betekent het stoppen van elk van deze dingen een immaterieel verlies voor onze collectieve geschiedenis en cultuur. Maar we zullen de gedachte aan opladen - of angst voor batterijlevensduur - helemaal niet missen.

Laat ons uw gedachten en vragen weten in de commentaarsectie hieronder.

Uitgelichte afbeelding: jabkitticha/Shutterstock

Laat een reactie achter

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Ontdek hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.

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