Réaliser la promesse d'une véritable technologie d'alimentation sans fil

Nous sommes de plus en plus habitués à fournir de l'énergie via une interface sans fil dans des applications aussi variées que les chargeurs d'écouteurs et les plaques à induction, mais jusqu'où cette technologie peut-elle nous mener ? Pourra-t-on un jour recharger une voiture sans brancher de câble, ou amener le réseau électrique dans des endroits éloignés sans planter de pylônes et creuser des fossés ?

Il existe deux formes principales de fourniture d'énergie sans fil. La première consiste à coupler étroitement un émetteur et un récepteur en formant un champ électrique ou magnétique entre eux, puis en l'utilisant pour transférer de l'énergie de l'un à l'autre. Certains schémas de transfert de puissance étroitement couplés utilisent un champ électrique pour coupler deux électrodes. Beaucoup d'autres, comme les plaques à induction, les brosses à dents électriques et les chargeurs de téléphone sans fil, créent un champ électromagnétique dans l'émetteur, puis utilisent ce champ pour induire un courant électrique dans un récepteur à proximité, qui peut alors agir, comme charger une batterie.

La deuxième approche majeure est le couplage radiatif, qui consiste à diriger un faisceau d'énergie, souvent sous la forme d'ondes radio haute fréquence, vers un récepteur hautement réglé pour capturer autant de cette énergie que possible.

L'alignement entre l'émetteur et le récepteur est très important pour un transfert d'énergie efficace. (Image :Molex Ventures)

Chaque approche présente des avantages et des limites, l'efficacité du transfert d'énergie et la portée de transmission étant deux des mesures de mérite les plus importantes. Pour les schémas étroitement couplés, l'alignement entre l'émetteur et le récepteur est très important pour un transfert d'énergie efficace. Si vous avez utilisé une plaque à induction, vous le saurez instinctivement, car une casserole arrête de chauffer immédiatement lorsqu'elle est déplacée du centre marqué de son anneau. Vous avez peut-être également remarqué le grand nombre d'aimants intégrés à l'arrière des derniers smartphones pour garantir que la rondelle de chargement sans fil est parfaitement alignée avec la bobine réceptrice du téléphone. Les temps de charge étant si essentiels à l'utilité perçue des nouveaux téléphones mobiles, garantir que la charge sans fil est aussi efficace que possible vaut bien l'effort d'ingénierie et les coûts de fabrication par unité.

Nous voyons des défis similaires à une échelle beaucoup plus grande avec les efforts visant à développer des normes pour la recharge sans fil des véhicules électriques. Une récente enquête menée par Molex auprès des constructeurs automobiles a révélé que 36 % des personnes interrogées pensent que, d'ici 2030, la recharge sans fil sera une fonctionnalité standard. Dans les téléphones portables, les taux de charge sont mesurés en dizaines de watts. Les véhicules électriques (VE), cependant, ont besoin de taux de charge de 50 kW à 250 kW pour devenir des alternatives pratiques aux véhicules à moteur à combustion interne pour les longs trajets. Obtenir le bon alignement entre la bobine de transmission au sol et la bobine de ramassage sous la voiture va être très important. Après tout, des pertes de transfert de quelques pour cent dues à un mauvais alignement pourraient signifier que des centaines de watts de puissance sont dissipés sous forme de chaleur inutile dans l'interface entre les bobines de transmission du chargeur et le récepteur du véhicule.

Un concept de bornes de recharge sans fil pour véhicules électriques ? (Image :Molex Ventures)

SAE International a déjà publié une norme (J2954_202010) pour résoudre de nombreux problèmes liés à la recharge sans fil des véhicules. Il établit des critères pour l'interopérabilité, la compatibilité électromagnétique, les champs électromagnétiques, les performances, la sécurité et les tests des systèmes de transfert d'énergie sans fil destinés à être utilisés dans les véhicules électriques rechargeables légers. La spécification est destinée à être utilisée dans des applications de charge stationnaire, bien que des applications dynamiques puissent être envisagées à l'avenir. Dans sa forme actuelle, il est limité aux bornes de recharge hors sol et ne couvre pas les installations encastrées.

La norme SAE J2954 définit également une approche d'alignement qui aidera les conducteurs à aligner leurs véhicules avec la station de charge, pour assurer un transfert d'énergie efficace, ainsi qu'à fournir l'infrastructure pour que les voitures le fassent de manière autonome à l'avenir. Mais il faudra une bonne ingénierie et beaucoup de discipline de l'utilisateur pour s'assurer que la recharge sans fil est aussi simple et rapide que nécessaire pour remplacer le comportement habituel de l'utilisateur consistant simplement à brancher la voiture comme s'il s'agissait d'une pompe à essence.

La recharge sans fil des téléphones portables dans les voitures est peut-être la meilleure illustration à ce jour de la promesse incertaine du transfert d'énergie sans fil aujourd'hui. Conclusion :cela ne fonctionne que lorsque le téléphone est placé à un endroit particulier pour assurer un alignement solide entre les bobines de l'émetteur et du récepteur.

Différentes formes de chargeurs. De gauche à droite :support de chargement sans fil, socle de chargement sans fil et porte-gobelet de chargement sans fil (Image :Molex Ventures)

Les utilisateurs de téléphones portables ne sont pas si indulgents, c'est pourquoi les smartphones les plus récents ont des aimants si puissants derrière leur boîtier pour que l'alignement soit un jeu d'enfant. Mais ce type de charge sans fil est toujours une expérience partiellement connectée – vous devez vous rendre à l'endroit où se trouve le socle de charge. Une meilleure expérience utilisateur impliquerait de pouvoir charger un appareil n'importe où dans un volume spécifié, sans avoir besoin d'un couplage étroit et d'un alignement précis avec une bobine de charge. Une startup financée par Molex Ventures appelée Ossia fait exactement cela, en utilisant une stratégie un peu comme les réseaux d'antennes MIMO utilisés dans les systèmes WiFi et 5G avancés pour permettre à l'énergie d'être transmise à un appareil même lorsqu'il n'est pas dans la ligne de mire de l'émetteur.

Dans l'approche d'Ossia, un émetteur de puissance envoie un signal régulier depuis son antenne pour le synchroniser avec tous les appareils compatibles à proximité. Chaque récepteur renvoie alors un signal balise qui annonce sa présence et ses besoins en énergie. L'émetteur de puissance mesure la phase de chaque signal de balise et l'utilise pour déterminer la direction dans laquelle il doit envoyer la puissance pour un transfert d'énergie le plus efficace.

Cette approche fonctionne avec un émetteur à antenne unique, mais les émetteurs de puissance avec plusieurs antennes peuvent mesurer les phases légèrement différentes du signal de balise arrivant sur chacune d'elles, afin d'établir avec plus de précision le chemin de transmission le plus efficace. L'émetteur de puissance peut alors ajuster la phase et la puissance de sortie de chacune de ses antennes pour diriger un faisceau d'énergie cohérent vers le récepteur. Et ce chemin n'a pas besoin d'être en ligne de mire - si le signal de balise envoyé par un récepteur d'alimentation rebondit sur un mur sur le chemin de l'émetteur, l'émetteur d'alimentation redirigera son faisceau le long du même chemin.

Un appareil activé avec le récepteur d'alimentation Ossia Cota envoie un signal de balise pour localiser l'émetteur d'alimentation Cota qui fournit ensuite de l'énergie sans fil via le même chemin. (Image :Molex Ventures)

L'émetteur peut également prendre en charge plusieurs appareils dans un même volume. Chaque récepteur dans ce volume mesure la puissance dont il a besoin et envoie cette information à l'émetteur sous forme de demande. L'émetteur compare ensuite toutes les requêtes des récepteurs qu'il dessert et alloue des impulsions de puissance sans fil à chacun des récepteurs en fonction de leurs besoins.

La promesse de cette approche, soutient la société, est qu'une fois que l'énergie peut être fournie de cette manière, toutes sortes d'hypothèses sur la façon dont les appareils sont alimentés dans l'environnement peuvent être repensées. Le paradigme passe de la charge sans fil à la fourniture d'énergie sans fil. Par exemple, les détecteurs de fumée de plafond n'auraient jamais besoin d'une nouvelle batterie et les aspirateurs robots feraient leur travail sans avoir besoin de retourner à une station d'accueil encombrante.

Les téléphones portables nous ont appris que nous pouvons accéder à n'importe quoi à partir d'un appareil portable, une installation qui n'est limitée que par l'accès à la bande passante et à des niveaux de charge de batterie appropriés. Le transfert d'énergie sans fil semble être un moyen utile d'éviter de brancher un téléphone ou une voiture - mais au final, il est toujours attaché à l'emplacement du chargeur. S'il devient pratique d'alimenter des appareils sans fil où qu'ils se trouvent dans un volume défini, nous pourrions voir nos opportunités et nos comportements changer comme ils l'ont fait lorsque nous sommes passés des lignes fixes aux smartphones.

En fin de compte, le changement viendra avec des développements dans les technologies de support - telles que des capteurs pour aider à résoudre les problèmes d'alignement, ou des solutions de gestion thermique pour faciliter la charge à haute puissance. Cela nécessite une expertise qui ouvre la voie à un monde de plus en plus connecté mais non connecté.

>> Cet article a été initialement publié le notre site frère, EE Times Europe.

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Lily Yeung est directeur du développement de l'entreprise chez Molex, LLC et vice-président de Molex Ventures, LLC, une filiale de Molex. Alliant expertise en finance, recherche et analyse, et technologies émergentes, Lily est désormais en première ligne, favorisant l'innovation chez Molex et au sein de l'industrie électronique. Elle est responsable de la promotion de l'écosystème entrepreneurial en travaillant directement avec des startups avant-gardistes, des incubateurs, des groupes d'investisseurs providentiels, des sociétés de capital-risque et des groupes de capital-risque d'entreprise. En effectuant des investissements stratégiques en actions dans des entreprises prometteuses en phase de démarrage, Molex Ventures encourage les startups ayant le plus grand potentiel pour avoir un impact positif sur les industries et la société.

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