Mercado de energia sem fio esquenta

2022-01-05 04:31:10 By : Mr. Mike Wu

Os fornecedores discutem sobre qual é a melhor tecnologia à medida que a demanda por cobranças mais convenientes cresce.O mercado de energia sem fio está em fluxo conforme as tecnologias estabelecidas atendem às novas abordagens.As antigas batalhas de padrões acalmaram um pouco, mas as mensagens concorrentes permanecem.O que o público acabará usando dependerá muito da infraestrutura de cobrança pública, mas os riscos são significativos.Prevê-se que o mercado de carregadores de bateria alcance US $ 25 bilhões em 2022. A maioria desses carregadores conecta-se à parede, mas à medida que o carregamento sem fio se torna cada vez mais disponível, pode ocupar uma fatia maior do mercado de carregamento com o tempo - até US $ 5 bilhões durante o próximos anos.A perspectiva de não ter mais que mexer com carregadores com fio promete maior comodidade tanto para os consumidores quanto para outros mercados industriais.“A indústria de energia sem fio é nova, relativamente falando, e um tanto confusa agora porque existem muitos métodos diferentes de transferência de energia sem fio”, disse Mike Harmon, diretor de marketing da NuCurrent.Atualmente, existem duas abordagens predominantes para o carregamento sem fio.Um é chamado Qi (pronuncia-se chee), operando entre aproximadamente 100 e 300kHz.O outro é o Airfuel, operando a 6,78 MHz.Eles competiram pelo mercado de consumo há vários anos, mas a Apple resolveu a questão optando pelo Qi para carregamento sem fio do iPhone.Ainda assim, o Airfuel está se posicionando como o herdeiro aparente, mesmo com outras tecnologias de carregamento sendo desenvolvidas silenciosamente em segundo plano.Qi é administrado pelo Wireless Power Consortium (WPC).O combustível aéreo tem uma história mais complicada.Havia dois padrões “ressonantes” no passado - o Power Matters Alliance (PMA), com seu padrão PowerMat, e o Alliance for Wireless Power (A4WP), com seu padrão Rezence.As batalhas se intensificaram e, eventualmente, PMA e A4WP se uniram.O resultado foi o Airfuel, e o órgão regulador tornou-se a Airfuel Alliance.Acoplamento indutivo e ressonância Os carregadores sem fio bem estabelecidos de hoje usam indutância magnética para transferir energia pelo ar.Uma corrente oscilante passando por uma bobina no carregador (o “transmissor”) cria um campo magnético que pode ser detectado por outra bobina no dispositivo sendo carregado (o “receptor”).Essa energia magnética transferida pode se tornar corrente elétrica que é enviada para a bateria.Existem dois aspectos importantes para isso.Um é a capacidade de se acoplar ao campo magnético.A segunda é a capacidade de transformar com eficiência essa energia magnética em energia elétrica.Essa última parte é fácil de descontar, mas é onde está grande parte do desafio.As primeiras abordagens de carregamento sem fio dependiam exclusivamente da capacidade de uma bobina se acoplar magneticamente a outra bobina.Isso é chamado de "carregamento indutivo".Às vezes, ele foi posicionado em contraste com outra abordagem, conhecido como "carregamento ressonante".Mas, na verdade, os dois podem trabalhar juntos.A ressonância se refere à capacidade de dois objetos de trocar energia oscilando em uma frequência de ressonância natural.A transferência de energia pode ser mais eficaz perto dessa frequência, mas depende da distância entre o carregador e o dispositivo de destino.Essa distância leva à noção de "acoplamento magnético".Tanto o carregador quanto o alvo têm bobinas de fio cujos campos magnéticos podem interagir fortemente entre si.Para sistemas intimamente acoplados, as duas bobinas estão em estreita proximidade, de modo que ambas as bobinas sentem o campo magnético fortemente.Fig. 1: Carga indutiva fortemente acoplada.Fonte: NuCurrentNesse arranjo, a ressonância ainda pode desempenhar um papel.“O receptor precisa ter uma frequência de ressonância definida”, disse Menno Treffers, presidente e cofundador do WPC.“Se você aproximar o transmissor e o receptor, a operação ideal para eficiência e transferência de energia não é na frequência de ressonância, mas ligeiramente fora.E quanto mais você se afasta, mais perto você tem que ir da frequência de ressonância para fazer a transferência ideal.É impossível operar na frequência de ressonância exata do receptor porque eles começam a lutar entre si. ”À medida que as bobinas se distanciam ainda mais, entramos no reino do que é geralmente chamado de carga “ressonante”, onde o elemento ressonante domina.Os campos parecem semelhantes à versão indutiva, mas menos linhas do campo magnético interceptam as duas bobinas.Fig. 2: Carga ressonante fracamente acoplada.Fonte: NuCurrentOs nomes “indutivo” e “ressonante” são freqüentemente usados ​​para descrever dois tipos diferentes de sistemas - estreitamente e fracamente acoplados.Na realidade, os dois sistemas dependem de ressonância até certo ponto, de modo que a terminologia não é totalmente precisa.Quando o acoplamento direto é o mecanismo principal, as duas bobinas devem ser do mesmo tamanho.Como muitos dos dispositivos que estão sendo carregados são pequenos, como uma escova de dentes elétrica, as bobinas do carregador também devem ser pequenas.Com bobinas menores, o campo é mais restrito em extensão, limitando a distância entre as duas bobinas e ainda assim transferir energia de maneira eficaz.Distância maior é possível, mas as bobinas precisam ser maiores para que funcionem.No momento, as bobinas estreitamente acopladas devem estar a poucos milímetros uma da outra.Fig. 3: Bobinas fortemente acopladas, com o mesmo tamanho e uma pequena distância “z” entre elas.Fonte: WPCCom o chamado carregamento ressonante, o acoplamento não é mais o mecanismo principal e, portanto, a bobina de carregamento pode ser maior do que a bobina receptora.Isso permite maior flexibilidade espacial ao colocar um telefone ou outro dispositivo próximo ao carregador.Uma implicação disso é o desejo de colocar os transmissores sob um balcão ou mesa, com os receptores simplesmente sendo colocados no balcão acima para carregar.Fig. 4: Bobinas fracamente acopladas, ambas com tamanhos de bobinas diferentes (esquerda) e maior distância “z” entre elas.Fonte: WPCUma forma de expandir a flexibilidade de posicionamento - mesmo para acoplamento próximo - é ter várias bobinas em uma matriz ou mesmo sobrepostas.Os sistemas de carregamento então descobrem qual bobina está mais próxima do dispositivo alvo para energizar aquela bobina.“Os melhores transmissores também usam matrizes de bobinas”, disse Treffers.“Os carregadores automotivos usam conjuntos de bobinas.E os arrays fornecem uma área que é quase infinita, dependendo de quantas bobinas você colocar. ”Fig. 5: Um exemplo de sistema com múltiplas bobinas sobrepostas.Fonte: WPCÉ possível carregar vários dispositivos em tal configuração, embora seja mais um desafio para sistemas indutivos porque as várias bobinas energizadas podem se acoplar também.Mas isso está mudando.“Existem carregadores que podem carregar vários telefones”, disse Jim Crnkovic, vice-presidente de engenharia da NuCurrent.“Eles são essencialmente vários transmissores de Qi integrados em um único dispositivo.Alguns desses produtos têm várias certificações Qi. ”Cozinhas e aparelhos auditivos O WPC também está trabalhando em um novo padrão de frequência doméstica com maior potência chamado Ki, possibilitando o que eles chamam de Cozinha Sem Fio.“Ki está sendo desenvolvido para todo um ecossistema de cooktops e aparelhos baseados em indução que podem receber até 2,2 kW de energia”, disse Harmon.Ele usa os mesmos tipos de bobinas indutivas usadas em cooktops de indução.“Ele pode ser adicionado como um upgrade para cooktops de indução existentes”, disse Treffers.“Por causa da bobina maior, o campo magnético pode percorrer uma distância maior, possibilitando zonas em uma bancada de cozinha onde os aparelhos podem ser alimentados.”Trata-se mais de alimentar um dispositivo do que carregar uma bateria.Eletrodomésticos como liquidificadores e cafeteiras podem ser construídos com uma bobina Ki correspondente em vez de um plugue, e podem ser alimentados colocando-os acima da bobina de transmissão.Outro processo de padronização que está sendo iniciado é chamado WattUp, e é conduzido pela Energous (anunciado enerjuss) por meio da Airfuel Alliance.O esforço acaba de ser anunciado e a Airfuel Alliance está solicitando a participação de outras empresas no campo.Essa abordagem fornece uma terceira maneira de fazer transferência de potência, usando energia de RF.Fig. 6: Recebendo energia em função da distância de transmissão.As zonas referem-se às tecnologias de semicondutores usadas, cujos detalhes não estavam disponíveis.Fonte: EnergousA Energous já tem produtos neste espaço e escolheu 915 MHz (uma banda ISM) como frequência de carregamento.Esses produtos podem operar próximos, o chamado campo próximo, e mais longe - campo médio ou campo distante.Energous afirma ser capaz de carregar em níveis de potência mais elevados em campo próximo, até cerca de 40W, em comparação com um máximo de 15W até agora para Qi.Por não envolver bobinas acopladas, não há necessidade de uma superfície plana ou de nenhum formato específico.Isso o torna particularmente atraente para itens de formato irregular, como fones de ouvido ou aparelhos auditivos.Com uma abordagem mais geral que pode ser aplicada a uma variedade de dispositivos, a Energous afirma que pode reduzir o número de números de peça para diferentes formas e modelos de dispositivo.Ele também deve fornecer uma abordagem única para carregar em qualquer lugar, de carregadores de contato - que usam pinos de pogo, o que significa que não são sem fio - a campos distantes.Essas formas podem criar uma preocupação para os designers ao criar esses sistemas, mas os simuladores de RF podem acomodar qualquer forma.“A beleza da abordagem de elementos finitos é que ela pode lidar com esses objetos de formato arbitrário”, disse Tianze Kan, engenheiro de aplicação da Ansys.Outros benefícios do carregamento de RF incluem a capacidade de carregar vários receptores facilmente com um transmissor, bem como o tamanho menor da antena necessária para captar as frequências mais altas.Fig. 7: Carregamento de RF.Fonte: NuCurrentPreocupações com a saúde O cuidado com o carregamento de RF é a segurança.Existem regulamentos estritos que devem ser cumpridos em todo o mundo para qualquer tipo de dispositivo radiativo como este, e a chamada Parte 15 dos regulamentos da FCC nos Estados Unidos limita a potência a 4W de potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP) com um máximo conduzido transmitir potência de 1W.Sendo isso muito limitado, Energous procurou trabalhar com a Parte 18, que cobre a banda ISM.“Tivemos que encontrar uma definição dentro das regras existentes que a FCC concordasse que era aceitável”, disse Stephen Rizzone, CEO da Energous.O foco está na potência absorvida por um ser humano - a “taxa de absorção específica” ou SAR.O limite é 1,6 W / kG a 1 metro.O kG na medição SAR refere-se ao material que está absorvendo a energia, que no caso das pessoas é a pele.“Pudemos concordar que a FCC aceitaria uma transmissão em que a energia fosse confinada ao equivalente a um comprimento de onda”, ou cerca de 0,3 m, disse Rizzone.Isso evoluiu ligeiramente.“Para o nosso primeiro transmissor aprovado para a Parte 18, a FCC usou [um comprimento de onda] como distância de referência ... para a rolagem de energia em torno de um receptor com uma distância máxima do transmissor ao receptor de 1 m”, disse Cesar Johnston, vice-presidente executivo de engenharia da Energous.“Atualmente, a FCC está aprovando a transferência de energia sem fio em até 1 m sob a Parte 18.”O carregamento de RF também está intimamente relacionado ao uso de RF para coleta de energia.A principal diferença parece ser o fato de que o carregamento de RF usa uma frequência específica para garantir o carregamento, e o receptor pode ser focado estreitamente nessa frequência.A colheita geralmente implica a eliminação de sinais ambientais para tudo o que pode ser obtido deles.Isso pode exigir um receptor de banda mais larga para acessar mais frequências, o que pode prejudicar a eficiência.Energosa se refere à abordagem de carregamento de RF intencional como "ativa", enquanto a coleta de energia é "passiva".Freqüência e eficiência Para abordagens de alta freqüência, o principal desafio tem sido a eficiência de conversão da energia transferida em energia elétrica.Historicamente, grande parte dessa energia foi perdida na eletrônica baseada em silício.“A eletrônica de potência deve ser eficiente nessas frequências”, disse Sanjay Gupta, presidente da Airfuel Alliance.“Você pode ter uma boa transferência pelo ar, mas se você queimar como calor em seus semicondutores, não adianta.”Ele acrescentou que, como resultado, “o estado da arte com semicondutores de potência para produtos eletrônicos de consumo há cinco a sete anos era o quilohertz”.De acordo com a Airfuel Alliance, o advento do nitreto de gálio (GaN), que é um material semicondutor de largo bandgap, possibilitou o processamento eficiente da energia transferida.A tecnologia anterior favorecia as abordagens de baixa frequência.GaN abre frequências mais altas.Energous vê o GaAs como uma tecnologia importante além do GaN.Embora GaN tenha um lugar no transmissor, seu valor ainda não está claro para retificação no lado receptor, onde GaAs é usado.“O GaN ainda está em seus primeiros dias e temos que encontrar a melhor maneira de encaixá-lo no que fazemos”, disse Johnston.“Do ponto de vista do amplificador de potência, é adequado, mas como tecnologia de retificação, ainda apresenta alguns desafios.A tecnologia GaAs tem diodos melhores. ”As opiniões divergem quanto a qual frequência é mais eficiente.Tanto o WPC quanto a Airfuel Alliance podem apontar artigos que dão boas notas às suas respectivas tecnologias.O WPC financiou um artigo que deu a Qi a vantagem de eficiência.De acordo com o resumo do artigo, “Este método estima a eficiência da transferência de energia ao longo de um ciclo de carga para o sistema de 110-205 kHz em 59,2%, enquanto um sistema de 6,78 MHz operando em ressonância é de 39,8%.”Enquanto isso, a Airfuel Alliance escreveu um relatório com a Utah State University que relatou eficiências em alguns equipamentos de até 70% para o Airfuel.Ao medir a eficiência, todos os lados concordam que é importante medir todo o sistema, não apenas a eficiência bobina a bobina.Os esforços de design devem considerar os campos e a eletrônica.“Trabalhamos em ambos os lados, tanto no eletromagnético quanto na eletrônica de potência”, disse Mark Solveson, gerente de engenharia de aplicação da Ansys.“Sentimos que é realmente importante ser capaz de simular os dois sistemas juntos.”Eletrônicos mais eficientes geram calor, mas não o eliminam.Kan observou que o calor deve ser contabilizado durante o projeto, especialmente em frequências mais altas.“As frequências de comutação mais altas podem nos levar a uma densidade de potência mais alta, reduzindo fisicamente o tamanho, o que então tem o problema potencial de remover o calor conforme a densidade de potência aumenta e a pegada diminui”, disse ele.Em geral, é mais fácil alcançar maior eficiência em frequências mais baixas.“A resistência dos condutores no sistema aumenta com o aumento da frequência, aumentando as perdas”, disse Crnkovic.Ele atribui grande parte da culpa pelo aumento da resistência ao "efeito de pele".Conforme a frequência aumenta, a corrente se concentra na superfície do fio.Em um fio trançado, pode significar que os fios internos podem conduzir pouca ou nenhuma corrente.Isso pode ser ajudado com o uso do fio “Litz”, que isola cada um dos fios para evitar que a corrente migre para fora do fio.O efeito de pele ainda é válido para os fios individuais, mas não para o feixe como um todo.“O fio Litz é normalmente bom para cerca de 2 MHz ou mais, por isso é benéfico para as frequências Qi - e não pode ser usado nas frequências AirFuel - ou NFC,” disse Crnkovic.Fig. 8: O efeito de pele visto em uma seção transversal de um fio trançado, onde um azul mais escuro indica mais corrente.À esquerda, a corrente migra para a borda do pacote.À direita, o fio Litz mantém a corrente dentro de cada fio.Fonte: Bryon Moyer / Engenharia de SemicondutoresIsso pode facilitar a implementação de dispositivos de alta potência de baixa frequência, mas isso não é uma regra.A Energous afirma fornecer 40 W a 915 MHz em comparação com os 15 W da Qi na faixa de 100 kHz.Também houve rumores sobre interferência de Qi.Qualquer um desses carregadores criará tons e, em teoria, o Qi poderia criar interferência em bandas de rádio ou TV.A NuCurrent, que é relativamente neutra nas batalhas de padrões, desconhecia esse problema específico.Mas a empresa disse que houve situações em que isso interferiu no recurso de digitação passiva de alguns automóveis, que opera na mesma frequência, e pode resultar no desbloqueio inadvertido das portas.Como o Airfuel está na banda ISM, muitos dos harmônicos também acabam dentro dessa banda.Notavelmente, o primeiro harmônico está em 13. 76 MHz, onde o NFC opera.Embora a banda ISM tenha menos regulamentação para EMI, os dispositivos ainda precisam funcionar bem com outros dispositivos que usam essa parte do espectro, portanto, a interferência não pode ser ignorada.“Existem regras que devem ser seguidas para operar dentro das bandas ISM, e todos os produtos que operam nessas bandas devem estar em conformidade com elas”, disse Gupta da Airfuel.“Não são tão rígidos quanto os das bandas licenciadas.Mas os dispositivos que operam nessas frequências podem estar sujeitos à interferência de outras pessoas que operam nessas bandas. ”A interferência é um dos muitos aspectos que devem ser considerados durante o design do sistema.“Somos capazes de lidar com a análise EMI e EMC, tanto condutiva quanto radiativa”, observou Kan.Comunicação O carregamento sem fio também requer um canal de comunicação para controle do processo.Isso permite que o transmissor e o receptor se comuniquem usando apertos de mão para iniciar e encerrar o processo e para quaisquer condições que possam exigir o ajuste do processo de carregamento, como superaquecimento.O Qi usa um esquema dentro da banda para essa comunicação, modulando a forma de onda de carga.Airfuel e Energous usam Bluetooth de baixa energia, enquanto Ki usa comunicação de campo próximo (NFC).NuCurrent tem uma implementação proprietária que se comunica dentro da banda, o que à primeira vista pode parecer um problema.A frequência operacional de 6,78 MHz para o Airfuel foi escolhida por ser a frequência da banda ISM mais baixa.Tomado literalmente, isso significaria que modulá-lo com um sinal adicionaria uma banda lateral inferior que estaria fora da faixa do ISM.Mas, como explicado por NuCurrent, é uma banda completa de 30kHz de largura, deixando espaço suficiente para executar um sinal.Um exemplo de como a comunicação funciona é ilustrado por Jason Luzinski, engenheiro sênior de aplicações de campo da NuCurrent, em referência a Ki.“Você pode colocar o seu eletrodoméstico no carregador”, disse ele.“Começamos com a comunicação NFC para garantir o alinhamento adequado e autenticação do dispositivo de alta potência.Em seguida, começamos a transferência de energia real na faixa dos quilowatts.E então, nos cruzamentos de zero, estamos entregando todas as informações de energia via NFC para controlar o dispositivo. ”Infraestrutura pública Um dos principais cenários alardeados para carregamento sem fio é a capacidade de ir a uma cafeteria, colocar o telefone em uma mesa ou balcão e carregá-lo enquanto você está bebendo café.O Qi já tem algumas instalações.“Você pode ir ao McDonald's em Chicago, e há 50 carregadores Qi lá”, disse Harmon.Enquanto o Qi costumava depender de berços, as implementações mais recentes do Qi permitem o carregamento semelhante a um tapete.“Na prática, ninguém tem problemas em colocar o telefone corretamente no carregador e fazê-lo funcionar”, disse Treffers.Ainda assim, Treffers disse que os cafés não são o objetivo real.“As pessoas trabalham com seus telefones quando estão tomando uma xícara de café”, disse ele.“Portanto, não é um aplicativo primário para infraestrutura.Fica ao lado da cama, mas também na sala e no escritório. ”Fig. 9: Estações de carregamento Qi em um aeroporto.Fonte: WPCOutras abordagens de carregamento sem fio Embora indutiva, ressonante e RF sejam as abordagens dominantes para carregamento sem fio, outros mecanismos de carregamento estão sendo explorados.Eles incluem o seguinte:Fig. 10: Carregamento capacitivo.Fonte: NuCurrentFig. 11: Carregamento de ultrassom.Fonte: NuCurrentFig. 12: Carregamento do laser.Fonte: NuCurrentConclusão O estado da indústria hoje é que o Qi domina com base em seu início precoce e base estabelecida.Airfuel está sendo amplamente utilizado em instalações proprietárias.“Os designs de 6,78 MHz ajudam com fatores de forma funky que você não pode carregar em um pad Qi - sapatos, objetos curvos - e geralmente essas empresas tendem a querer controlar seu próprio ecossistema,” disse Luzinski.A guerra de padrões ainda não acabou.O combustível aéreo é posicionado como o herdeiro aparente de Qi, mas o WPC não vê dessa forma.RF está entrando na briga também, embora seja muito cedo para avaliar seu sucesso potencial.E todas as outras abordagens ainda estão longe de desafiar qualquer um dos principais jogadores de hoje.Porém, independentemente de como os padrões e abordagens se abalem, o carregamento sem fio parece estar em ascensão.“Durante os últimos cinco anos, vi muitos produtos de carregamento sem fio surgindo na indústria”, disse Kan. “E provavelmente haverá mais e mais no futuro.”6.78 comunicações em banda não são permitidas na argentina e em alguns outros países.Obrigado Bryon.Artigo bacana que até mesmo este leigo entendeu - um pouco.Estou interessado principalmente em transferência de RF e acho que, em última análise, isso será usado globalmente, assim que a ciência descobrir.Seu artigo foi um bom resumo de nossa posição.Nome * (Observação: este nome será exibido publicamente)Email * (não será exibido publicamente)As tecnologias estão sendo projetadas em mais sistemas à medida que diminui a deficiência e aumenta a confiabilidade.A fabricação madura e de baixo custo e a confiabilidade comprovada estimulam o uso em EVs, smartphones e produtos eletrônicos de consumo.Onde está funcionando e quais desafios permanecem para uma adoção ainda mais ampla.A coerência do cache é cara e oferece pouco ou nenhum benefício negativo para algumas tarefas.Então, por que ainda é usado com tanta frequência?Otimizar a energia e a eficiência no uso de chips de servidor e software é um desafio multifacetado com muitas partes móveis.Compartilhar recursos pode melhorar significativamente a utilização e reduzir custos, mas não é uma mudança simples.Projetos de memória novos e mais rápidos estão sendo desenvolvidos, mas seu futuro é incerto.Novos níveis de desempenho do sistema trazem novas compensações.Uma tecnologia de fabricação que não fornece recursos de projeto analógico adequados não é um processo comercialmente viável.Mas quão bom tem que ser?A inteligência, não apenas a funcionalidade, está mudando para tudo, desde relógios e óculos até roupas, mas ainda há barreiras a serem superadas.Não é fácil incluir intermediários em um projeto hoje, mas à medida que as rugas são corrigidas, novas ferramentas, metodologias 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