Ładowanie bezprzewodowe: co to jest i jak działa?
Ładowanie bezprzewodowe: co to jest i jak działa?

Technologia ładowania bezprzewodowego istnieje od ponad 100 lat, ale włączenie jej do urządzeń, takich jak nowa linia iPhone’a firmy Apple, nadało jej nowe życie. Oto, jak to działa i dlaczego może wkrótce pojawić się wszędzie, od inteligentnych domów po roboty. 

Ładowanie bezprzewodowe istnieje od końca XIX wieku, kiedy pionier elektryczności, Nikola Tesla, zademonstrował sprzężenie rezonansu magnetycznego – zdolność do przesyłania energii elektrycznej w powietrzu poprzez wytworzenie pola magnetycznego między dwoma obwodami, nadajnikiem i odbiornikiem. Ale przez około 100 lat była to technologia bez wielu praktycznych zastosowań, z wyjątkiem być może kilku modeli elektrycznych szczoteczek do zębów. Obecnie w użyciu jest już mnóstwo różnych metod zastosowania ładowania bezprzewodowego, a wszystkie mają na celu odłączanie kabla od wszystkiegopocząwszy od smartfonów i laptopów na urządzeniach kuchennych i samochodach skończywszy. 

Ładowanie bezprzewodowe wkracza na rynek również w służbie zdrowia, motoryzacji i przemyśle wytwórczym, ponieważ oferuje możliwości zwiększonej mobilności i postępu produkcyjnego, które umożliwiają małym urządzeniom sieciowym na uzyskanie zasilania w odległości kilku lub nawet kilkunastu metrów od ładowarki. 

Najpopularniejsze obecnie stosowane technologie bezprzewodowe opierają się na polu elektromagnetycznym między dwiema miedzianymi cewkami, co znacznie ogranicza odległość między urządzeniem a podstawką ładującą. To rodzaj ładowania, które Apple włączyło do iPhone’a 8 i iPhone’a X. 

JAK DZIAŁA ŁADOWANIE BEZPRZEWODOWE

 

 

Mówiąc najogólniej, istnieją trzy rodzaje ładowania bezprzewodowego. Podkładki ładujące, które wykorzystują ściśle sprzężone elektromagnetyczne ładowanie indukcyjne lub niepromieniujące; ładowarki typu przelotowego, które wykorzystują luźno sprzężone lub promieniujące elektromagnetyczne ładowanie rezonansowe dające połączenie w odległości kilku centymetrów, oraz bezprzewodowe ładowanie z odłączoną częstotliwością radiową, które umożliwia ładowanie impulsowe z odległości nawet kilku metrów. 

Zarówno ściśle sprzężone indukcyjne, jak i luźno sprzężone ładowanie rezonansowe działają na tej samej zasadzie fizyki: zmienne w czasie pole magnetyczne indukuje prąd w zamkniętej pętli przewodu. 

Działa to w następujący sposób: antena magnetyczna (cewka miedziana) służy do wytworzenia oscylującego pola magnetycznego, które może wytworzyć prąd w jednej lub kilku antenach odbiornika. Jeśli dodamy odpowiednią pojemność, aby pętle rezonowały z tą samą częstotliwością, ilość indukowanego prądu w odbiornikach wzrasta. Jest to rezonansowe ładowanie indukcyjne lub rezonans magnetyczny; umożliwia przesyłanie mocy na większe odległości między nadajnikiem a odbiornikiem i zwiększa wydajność. Rozmiar cewki wpływa również na odległość przenoszenia mocy. Im większa cewka lub im więcej cewek, tym większą odległość może pokonać ładunek. 

 

Na przykład w przypadku bezprzewodowych podkładek do ładowania smartfonów, miedziane cewki mają zaledwie kilka cali średnicy, co znacznie ogranicza odległość, na której moc może efektywnie przepływać, ale gdy cewki są większe, więcej energii można przesłać bezprzewodowo.  

W samochodowym systemie ładowania duże miedziane cewki – ponad 25 centymetrów średnicy dla odbiorników – pozwalają na efektywne przenoszenie mocy na odległości do 25 centymetrów. Zastosowanie rezonansu umożliwia przesyłanie wysokich poziomów mocy (do 11 kW) i wysokiej wydajności (ponad 92%)dodając również kondensatory do przewodzącej pętli, co zwiększa ilość energii, która z kolei może zostać przechwycona i wykorzystana do ładowania baterii. 

Jeśli chodzi o postęp i gotowość branży, nakłady ładujące są sprzedawane w dużych ilościach od 2015r. Tzw. miski ładujące typu przelotowego dopiero w tym roku wprowadzane są na rynek; a ładowanie w całym pomieszczeniu jest prawdopodobnie nadal co najmniej rok od komercyjnego wysokiego poziomu sprzedażowego. 

Nieco ponad 200 milionów urządzeń obsługujących ładowanie bezprzewodowe zostało sprzedanych w 2016 roku, a prawie wszystkie z nich wykorzystywały jakąś formę konstrukcji typu indukcyjnego (podkładka ładująca). 

We wrześniu Apple w końcu wybrał stronę po tym, jak od lat pozostaje w tyle za innymi producentami telefonów, przyjmując standard WPC (Wireless Power Consortium) Qi [czi] (po chińsku znaczy ‘przepływ energii), ten sam, z którego Samsung i inni producenci smartfonów z Androidem korzystają od co najmniej dwóch lat. 

Pierwsza klasa bezprzewodowych ładowarek do urządzeń mobilnych pojawiła się około sześć lat temu; stosowała ładowanie ściśle sprzężone lub indukcyjne, które wymagało od użytkowników umieszczenia smartfona w dokładnej pozycji na podkładce w celu jego naładowania. 

Moim zdaniem, ustawienie go dokładnie tak, aby się ładował, nie oszczędza wiele wysiłku w odróżnieniu od zwykłego podłączenia kablem” – powiedział Benjamin Freas, główny analityk Navigant Research. 

We wrześniu 2012 roku Nokia 920 była pierwszym smartfonem dostępnym na rynku, który oferował wbudowane funkcje bezprzewodowego ładowania oparte na specyfikacji Qi. 

 

BITWA O STANDARDY ŁADOWANIA BEZPRZEWODOWEGO

 

 

Przez kilka lat istniały trzy konkurujące ze sobą grupy standardów ładowania bezprzewodowego skupione na specyfikacjach ładowania indukcyjnego i rezonansowego: Alliance for Wireless Power (A4WP), Power Matters Alliance (PMA) i Wireless Power Consortium (WPC). Lista 296 członków tego ostatniego obejmuje Apple, Google, Verizon i prawdziwego kto jest kim z producentów elektroniki. 

WPC stworzyło najpopularniejszy ze standardów ładowania bezprzewodowego – Qi , który umożliwia ładowanie indukcyjne lub typu pad oraz ładowanie indukcyjne rezonansem elektromagnetycznym na krótkie odległości (1,5 cm lub mniej). Standard Qi jest używany przez Apple. 

PMA i specyfikacja ładowania indukcyjnego Powermat odniosły sukces, pilotując swoją technologię ładowania bezprzewodowego w kawiarniach i na lotniskach. Na przykład Starbucks zaczął wprowadzać bezprzewodowe ładowarki w 2014 roku. 

 

Przy konkurencyjnych standardach obsługa urządzeń mobilnych pozostała fragmentaryczna, a większość urządzeń mobilnych wymagała obudowy adaptacyjnej, aby umożliwić ładowanie bezprzewodowe. 

W 2015 roku A4WP i PMA zdecydowały się połączyć siły, aby utworzyć AirFuel Alliance, które obecnie liczy 110 członków, w tym Dell, Duracell, Samsung i Qualcomm. Jako część AirFuel Alliance, Duracell Powermat twierdzi, że ma ponad 1500 punktów ładowania w USA, a dzięki partnerstwu Powermat PowerKiss – 1000 punktów ładowania na europejskich lotniskach, hotelach i kawiarniach. AirFuel ogłosił również bezprzewodowe ładowanie w niektórych restauracjach McDonald’s. Według Freasa jest to jeden ze sposobów, w jaki ładowanie bezprzewodowe może zostać przyjęte na szerszą skalę. W rezultacie, rosnąca liczba kawiarni, restauracji i lotnisk wdrożyła bezprzewodowe stacje ładowania oparte na rezonansie.  

AirFuel ogłosił niedawno projekt z Taoyuan Airport Metro, który wprowadza ładowanie rezonansowe w swoich pociągach i stacjach. Producent mebli Order Furniture stworzył nową linię mebli z funkcją rezonansu. 

Jeśli masz go w każdej restauracji i kawiarni, ludzie będą chętniej go używać i kupować pad do ładowania w domu” – powiedział Benjamin Freas, główny analityk Navigant Research. 

Większość z tych projektów to nadal tylko programy pilotażowe, powiedział Freas, dodając, że konsumenci i firmy rzadziej będą chcieli ściśle powiązanego ładowania i częściej będą wybierać luźno sprzężone ładowanie rezonansowe. To dlatego, że luźno powiązane ładowanie zapewnia większą swobodę przestrzenną – możliwość prostego upuść telefon, tablet lub laptopa na komputer stacjonarny i naładuj go. 

 

ŁADOWANIE BEZPRZEWODOWE NA ODLEGŁOŚĆ

 

 

W tym miesiącu Apple zaskoczył niektórych obserwatorów branży, opracowując luźno sprzężoną technologię ładowania rezonansowego, która również opiera się na specyfikacji Qi. Zaprezentował pudełka do ładowania i misy, w których można umieścić i ładować wiele urządzeń jednocześnie. 

Firma rozpoczęła sprzedaż wielkoskalowych systemów dla budownictwa, telekomunikacji, obronności i rolnictwa. Jednym z takich produktów jest bezprzewodowy system sterowania turbinami wiatrowymi. Następnie zminiaturyzowała swoją technologię i umieściła ją w ładowalnych bateriach AA, eliminując potrzebę wbudowywania technologii bezpośrednio w urządzenia. Technologia bezprzewodowa zajmuje około 10% wysokości baterii AA. 

Apple może rozszerzyć swoje zastosowanie bezprzewodowego ładowania również poza smartfony, używając jej na przykład do ładowania pilotów telewizyjnych, urządzeń peryferyjnych lub dowolnej liczby urządzeń wymagających baterii. 

Chociaż najbardziej widocznym zastosowaniem technologii ładowania bezprzewodowego są podkładki do ładowania urządzeń mobilnych, technologia ta wkracza również na wszystko, od robotów magazynowych po małe urządzenia sieciowe, które w innym przypadku wymagałyby okablowania lub zasilania z wymiennych baterii. 

Ładowanie na odległość wydaje się jeszcze bardziej atrakcyjną technologią niż w przypadku podkładki ładującej, a nawet pudełka, które nadal wymagają stosunkowo ścisłego podłączenia urządzeń mobilnych do źródła ładowania. 

Systemy ładowania urządzeń mobilnych działają podobnie jak router bezprzewodowy, wysyłając sygnały o częstotliwości radiowej, które mogą być odbierane przez przenośne urządzenia i telefony komórkowe. Niewielka antena RF w postaci płytki PCB, ASIC i oprogramowanie tworzą bezprzewodowe odbiorniki mocy. 

Wykorzystując układ zarządzający z wieloma antenami o rozmiarze około 4x4mm, nadajnik mocy może być wbudowany w różne formy, od płyt sufitowych po stoły, biurka, szyby, telewizory i tablice rozdzielcze samochodów. Przetwornik automatycznie wykrywa urządzenia obsługujące, zawierając przy tym moduł czujnika temperatury, który zapobiega przegrzaniu. Różnica między  technologią a innymi dostępnymi na rynku, takimi jak Qi, polega na tym, że można zdalnie dostarczyć znaczącą moc, w przypadku gdy Inne wymagają umieszczenia urządzenia na podkładce, tak więc efektywnie można zrezygnować z dodatkowego urządzenia, aby je naładować. Ładowanie takie może działać przez ściany, podobnie jak router Wi-Fi. Można zatem wyobrazić sobie posiadanie nadajnika w pomieszczeniu, w którym jednocześnie zasila smartfon, tablet lub inteligentny zegarek. 

Inny pomysł wykorzystuje specyfikację komunikacji bezprzewodowej Bluetooth, jednak w tym przypadku ilość mocy, jaką można wysłać, jest ograniczona. W rezultacie koncentruje się na zasilaniu małych urządzeń mobilnych, a nie laptopów lub baterii, które wymagają większej pojemności. 

Pojedynczy nadajnik może ładować do 24 urządzeń, wszystkie pod kontrolą oprogramowania, które włącza lub wyłącza ładowanie. Maksymalna moc – 4 waty – może być dostarczona tylko do czterech urządzeń jednocześnie. Im więcej „autoryzowanych” urządzeń wchodzi do pomieszczenia, tym opłata za każde urządzenie spada. 

Jedną z potencjalnych przeszkód w stosowaniu bezprzewodowego ładowania na odległość jest to, że nie można ładować urządzeń obsługujących Qi; technologia jest bowiem prawnie zastrzeżona. 

Rozpoczynając od ładowania podkładką Qi, użytkownicy mogą zacząć akceptować założenie bezprzewodowego zasilania i wkrótce będą wymagać znacznie bardziej elastycznego, solidnego rozwiązania: zasilania na odległość z elastycznością korzystania z urządzenia podczas ładowania. 

 

TAK WIĘC…

 

 

Na chwilę obecną dostępne są nadal dwie opcje; urządzenia oferujące bezprzewodowe ładowanie z taką samą prędkością jak przewód, ale na podkładce ładującej, lub ładowanie strużkowe, wolniejsze i mniej wydajne, ale z większej odległości.   

 

WoJ