De belofte van echte draadloze energietechnologie waarmaken

We raken steeds meer gewend aan het leveren van energie via een draadloze interface in uiteenlopende toepassingen als opladers voor oordopjes en inductiekookplaten, maar hoe ver kan deze technologie ons brengen? Zullen we ooit in staat zijn om een ​​auto op te laden zonder een kabel aan te sluiten, of het elektriciteitsnet naar afgelegen plaatsen te brengen zonder masten te planten en greppels te graven?

Er zijn twee hoofdvormen van draadloze stroomvoorziening. De eerste houdt in dat een zender en een ontvanger nauw met elkaar worden verbonden door er een elektrisch of magnetisch veld tussen te vormen en dit vervolgens te gebruiken om energie van de ene naar de andere over te dragen. Sommige nauw gekoppelde vermogensoverdrachtschema's gebruiken een elektrisch veld om twee elektroden te koppelen. Veel meer, zoals inductiekookplaten, elektrische tandenborstels en opladers voor draadloze telefoons, creëren een elektromagnetisch veld in de zender en gebruiken dat veld vervolgens om een ​​elektrische stroom te induceren in een nabijgelegen ontvanger, die vervolgens actie kan ondernemen, zoals het opladen van een batterij.

De tweede belangrijke benadering is stralingskoppeling, waarbij een energiestraal, vaak in de vorm van hoogfrequente radiogolven, naar een ontvanger wordt gestuurd die sterk is afgestemd om zoveel mogelijk van die energie op te vangen.

Afstemming tussen zender en ontvanger is erg belangrijk voor een efficiënte energieoverdracht. (Afbeelding:Molex Ventures)

Elke benadering heeft voordelen en beperkingen, waarbij de efficiëntie van de energieoverdracht en het transmissiebereik twee van de belangrijkste maatstaven zijn. Voor nauw gekoppelde schema's is afstemming tussen de zender en de ontvanger erg belangrijk voor een efficiënte energieoverdracht. Als je een inductiekookplaat hebt gebruikt, weet je dit instinctief, want een pan stopt onmiddellijk met verwarmen wanneer hij uit het gemarkeerde midden van de ring wordt verplaatst. Je hebt misschien ook de grote aantallen magneten opgemerkt die zijn ingebed in de achterkant van de nieuwste smartphones om ervoor te zorgen dat de puck voor draadloos opladen perfect is uitgelijnd met de ontvangerspoel van de telefoon. Omdat oplaadtijden zo belangrijk zijn voor het waargenomen nut van nieuwe mobiele telefoons, is het zeker de moeite waard om ervoor te zorgen dat draadloos opladen zo effectief mogelijk is.

Soortgelijke uitdagingen zien we op veel grotere schaal bij het ontwikkelen van standaarden voor het draadloos opladen van elektrische voertuigen. Uit een recent door Molex uitgevoerd onderzoek onder autobedrijven blijkt dat 36 procent van de respondenten gelooft dat draadloos opladen tegen 2030 een standaardfunctie zal zijn. In mobiele telefoons worden oplaadsnelheden gemeten in tientallen watts. Elektrische voertuigen (EV's) hebben echter laadsnelheden van 50 kW tot 250 kW nodig om praktische alternatieven te worden voor voertuigen met een verbrandingsmotor voor lange reizen. Het wordt erg belangrijk om de juiste uitlijning te krijgen tussen de transmissiespoel op de grond en de pick-upspoel onder de auto. Immers, overdrachtsverliezen van enkele procenten als gevolg van slechte uitlijning kunnen ertoe leiden dat honderden watts vermogen als nutteloze warmte wordt afgevoerd in de interface tussen de zendspoelen van de lader en de ontvanger van het voertuig.

Een concept voor draadloos opladen van elektrische voertuigen? (Afbeelding:Molex Ventures)

SAE International heeft al een norm (J2954_202010) gepubliceerd om veel van de problemen rond het draadloos opladen van voertuigen aan te pakken. Het stelt criteria vast voor de interoperabiliteit, elektromagnetische compatibiliteit, EMV, prestaties, veiligheid en testen van draadloze energieoverdrachtsystemen voor gebruik in lichte plug-in EV's. De specificatie is bedoeld voor gebruik in stationaire laadtoepassingen, hoewel dynamische toepassingen in de toekomst kunnen worden overwogen. In zijn huidige vorm is het beperkt tot bovengrondse oplaadpunten en geldt het niet voor verzonken installaties.

De SAE J2954-standaard definieert ook een benadering van uitlijning die bestuurders helpt hun voertuigen op één lijn te brengen met het oplaadstation, om een ​​efficiënte energieoverdracht te garanderen en om de infrastructuur te bieden voor auto's om dit in de toekomst autonoom te doen. Maar er is goede techniek en veel gebruikersdiscipline voor nodig om ervoor te zorgen dat draadloos opladen zo eenvoudig en snel is als nodig is om het routinematige gebruikersgedrag van het simpelweg inpluggen van de auto als bij een benzinepomp te vervangen.

Draadloos opladen voor mobiele telefoons in auto's is misschien wel de beste illustratie tot nu toe van de onzekere belofte van draadloze stroomoverdracht vandaag. Kortom:het werkt alleen als de telefoon op een bepaalde plek wordt geplaatst om een ​​sterke uitlijning tussen zender- en ontvangerspoelen te garanderen.

Diverse vormen van oplaadpads. Van links naar rechts:draadloos oplaadrek, draadloos oplaadstation en bekerhouder voor draadloos opladen (Afbeelding:Molex Ventures)

Gebruikers van mobiele telefoons zijn niet zo vergevingsgezind, daarom hebben de nieuwste smartphones zulke sterke magneten achter hun behuizing om het uitlijnen in een handomdraai te maken. Maar dit soort draadloos opladen is nog steeds een gedeeltelijk gekoppelde ervaring - je moet naar de plek gaan waar het oplaadstation zich bevindt. Een betere gebruikerservaring zou inhouden dat een apparaat overal in een bepaald volume kan worden opgeladen, zonder dat er een nauwe koppeling en nauwkeurige uitlijning met een oplaadspoel nodig is. Een door Molex Ventures gefinancierde startup genaamd Ossia doet precies dit, met behulp van een strategie die enigszins lijkt op de MIMO-antenne-arrays die worden gebruikt in geavanceerde WiFi- en 5G-systemen om energie naar een apparaat te kunnen sturen, zelfs als het zich niet in het zicht van de zender bevindt.

In de benadering van Ossia zendt een krachtzender een normaal signaal uit van zijn antenne om deze te synchroniseren met alle compatibele apparaten in de buurt. Elke ontvanger zendt vervolgens een bakensignaal terug dat zijn aanwezigheid en zijn stroombehoeften aankondigt. De vermogenszender meet de fase van elk bakensignaal en gebruikt dit om de richting te bepalen waarin het vermogen moet sturen voor de meest efficiënte energieoverdracht.

Deze benadering werkt met een zender met één antenne, maar vermogenszenders met meerdere antennes kunnen de licht verschillende fasen van het bakensignaal dat bij elk van hen aankomt meten, om het meest efficiënte transmissiepad nauwkeuriger vast te stellen. De vermogenszender kan vervolgens de fase en het uitgangsvermogen van elk van zijn antennes aanpassen om een ​​coherente energiestraal naar de ontvanger te sturen. En dit pad hoeft niet in het zicht te zijn - als het bakensignaal dat door een power-ontvanger wordt verzonden op de weg naar de zender tegen een muur weerkaatst, zal de power-zender zijn straal langs hetzelfde pad terugsturen.

Een apparaat dat is uitgerust met de Ossia Cota-stroomontvanger stuurt een bakensignaal om de Cota-stroomzender te lokaliseren, die vervolgens draadloos stroom levert via hetzelfde pad. (Afbeelding:Molex Ventures)

De zender kan ook meerdere apparaten binnen een volume ondersteunen. Elke ontvanger binnen dat volume meet hoeveel stroom hij nodig heeft en stuurt deze informatie als verzoek naar de zender. De zender vergelijkt vervolgens alle verzoeken van de ontvangers die hij bedient en wijst pulsen van draadloos vermogen toe aan elk van de ontvangers op basis van hun behoeften.

De belofte van deze aanpak, zo stelt het bedrijf, is dat zodra energie op deze manier kan worden geleverd, allerlei veronderstellingen over hoe apparaten in de omgeving worden aangedreven, kunnen worden heroverwogen. Het paradigma verandert van draadloos opladen naar draadloze stroomvoorziening. Zo zouden rookmelders aan het plafond nooit een nieuwe batterij nodig hebben en zouden robotstofzuigers hun werk doen zonder terug te hoeven naar een omvangrijk dockingstation.

Mobiele telefoons hebben ons geleerd dat we overal toegang toe hebben vanaf een handheld-apparaat, een faciliteit die alleen wordt beperkt door toegang tot bandbreedte en geschikte niveaus van batterijlading. Draadloze energieoverdracht lijkt een handige manier om te voorkomen dat je een telefoon of auto moet aansluiten, maar uiteindelijk is het nog steeds vastgemaakt aan de locatie van de oplader. Als het praktisch wordt om apparaten draadloos van stroom te voorzien, waar ze ook zijn binnen een bepaald volume, kunnen we onze kansen en gedrag zien veranderen, net zoals ze deden toen we van vaste lijnen naar smartphones verhuisden.

Uiteindelijk zal de verandering komen met ontwikkelingen in de ondersteunende technologieën - zoals sensoren om te helpen bij uitlijningsproblemen, of thermische beheeroplossingen om opladen met hoog vermogen te vergemakkelijken. Dit vereist expertise die een weg biedt naar een steeds meer verbonden maar ongebonden wereld.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europe.

Verwante inhoud:

• Uitdagingen voor draadloos stroomontwerp in voertuigen oplossen
• De basisprincipes van draadloos opladen begrijpen
• Draadloos opladen ontwarren
• Drones blijven doorgaan met oplossingen voor draadloos opladen
• 10 belangrijke trends in draadloze technologie
• Opkomende oplossingen verbeteren het energiebeheer van elektrische voertuigen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.