Draadloze stroom: van smartphones tot EV's – de weg vooruit

De huidige wereld wordt steeds meer aangedreven door draadloze interfaces – van oordopjes en inductie-kookplaten tot het opkomende veld van elektrisch-voertuig-opladen. De vraag blijft: kunnen we uiteindelijk een auto zonder kabel voeden, of netstroom leveren aan afgelegen locaties zonder pylons en graven?

Draadloze stroomlevering valt in twee brede categorieën. De eerste berust op strakke koppeling tussen een zender en een ontvanger, wat een elektrisch of magneetveld creëert dat energie direct over een korte afstand overbrengt. Veel huishoudelijke apparaten – inductie-kookplaten, elektrische tandenborstels en de meeste telefoonladers – gebruiken dit principe om een stroom in een nabijgelegen ontvanger-spoel te induceren.

De tweede categorie, radiatieve koppeling, richt een bundel energie – vaak high-frequentie radiogolven – naar een ontvanger die afgestemd is om zoveel mogelijk van die stroom te oogsten.

Uitlijning tussen zender en ontvanger is cruciaal voor efficiënte energie-overdracht. (Afbeelding: Molex Ventures)

Efficiëntie en transmissiebereik zijn de sleutelmeter voor beide benaderingen. Strakke koppeling eist precieze uitlijning; bijvoorbeeld stopt een pan op een inductie-kookplaat direct met verwarmen wanneer het afwijkt van het centrum van de magnetische ring. Smartphones gebruiken ingebouwde magneten om de telefoon perfect gecentreerd op een laadpad te houden, een kleine maar essentiële ingenieursinspanning die de laadtijden aanzienlijk verbetert.

Op grotere schaal confronteert draadloos laden voor elektrische voertuigen soortgelijke uitlijningsuitdagingen. Een recente Molex-enquête vond dat 36% van de automotive-executives verwacht dat draadloos laden een standaardfunctie wordt voor 2030. Terwijl mobiele laders typisch bij tientallen watts opereren, vereisen EV's 50 kW tot 250 kW om lange-afstand-reizen competitief te maken met verbrandingsmotoren.zelfs een paar procenten van verkeerde uitlijning kunnen vertalen naar honderden watts verspilde warmte aan de interface.

Een concept voor elektrisch-voertuig draadloze laadbanen? (Afbeelding: Molex Ventures)

SAE International's J2954_202010-standaard aanpakt veel van deze kwesties door interoperabiliteit, elektromagnetische compatibiliteit, EMF-limieten, prestaties, veiligheid en testen voor stationair EV-laden te definiëren. De specificatie dekt momenteel above-ground pads en adresseert nog niet flush-mounted installaties, maar stelt een framework voor toekomstige dynamische laadscenario's.

De standaard outlineert ook een uitlijnprotocol dat chauffeurs helpt hun voertuigen uit te lijnen met laadpads – en zet de basis voor autonome uitlijning in de toekomst. Niettemin zal de technologie robuuste ingenieurskunst en gedisciplineerde gebruiksgewoontes vereisen om de gemak van het insteken van een auto in een traditioneel laadstation te evenaren.

Draadloos laden binnen een voertuig illustreert de huidige beperkingen: een telefoon moet op een specifieke plek geplaatst worden om optimale spoeluitlijning te bereiken. Zelfs de meest geavanceerde consumentenladers zijn nog steeds effectief gebonden aan een vast punt.

Verschillende vormen van laadpads: rek, pad en houder (Afbeelding: Molex Ventures)

Moderne smartphones krachtige magneten om uitlijning te vereenvoudigen, maar de ervaring blijft beperkt tot een gedefinieerd punt. Een meer vloeibare gebruikerservaring zou apparaten toestaan om overal binnen een bepaald volume op te laden, zonder precieze koppeling. Ossia, een Molex Ventures-gefinancierd startup, nastreeft precies die visie door MIMO-achtige antenne-arrays te benutten om stroom te bundelen zelfs wanneer de ontvanger niet in direct lijn van zicht is.

Ossia's systeem emiteert een regelmatig signaal van zijn antenne om te synchroniseren met nabijgelegen apparaten. Elke ontvanger zendt een beacon uit die zijn aanwezigheid en stroombehoefte rapporteert. De zender meet de fase van elke beacon en gebruikt die informatie om een coherente energiebundel naar het apparaat te sturen. Met meerdere antennes kan de zender faseverschillen bij elk element oplossen, wat hoog-nauwkeurige beamforming mogelijk maakt die zelfs van muren kan reflecteren om de ontvanger te bereiken.

Een apparaat met de Ossia Cota power-ontvanger zendt een beacon om de zender te lokaliseren, die dan stroom levert via hetzelfde pad. (Afbeelding: Molex Ventures)

De zender kan meerdere apparaten simultaan ondersteunen. Elke ontvanger stuurt een power-request beacon, en de zender verdeelt stroom-pulsen proportioneel aan die verzoeken, wat efficiënte distributie binnen het volume waarborgt.

Door stroom te leveren via een bundel in plaats van een starre spoel, definieert deze benadering wat we "draadloos laden" noemen opnieuw. Plafond-gemonte rookmelders kunnen oneindig draaien, en robotstofzuigers kunnen opereren zonder te docken. De paradigmaschuif verplaatst zich van laden naar stroomlevering, wat nieuwe mogelijkheden ontgrendelt voor alomtegenwoordige, ongebonden energie.

Net zoals smartphones ons bevrijden van bedrade vaste telefoons, kan een echte volumetrische draadloze stroomsysteem alledaagse gewoontes transformeren. De sleutel tot het realiseren van deze visie ligt in vooruitgang in uitlijningssensoren, thermisch beheer en hoge-efficiënte beamforming – velden waar expertise en gericht onderzoek de vooruitgang kunnen versnellen naar een steeds meer verbonden, ongebonden wereld.

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

Gerelateerde Inhoud:

• In-vehicle draadloze stroom ontwerp-uitdagingen ontwarren
• Draadloos laden basisprincipes begrijpen
• Draadloos laden ontwarren
• Drones blijven bewegen op draadloze opladen oplozingen
• 10 sleuteltrends in draadloze technologie
• Opkomende oplozingen verbeteren elektrisch-voertuig stroombeheer

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.