Cumprindo a promessa da verdadeira tecnologia de energia sem fio

Estamos cada vez mais acostumados a fornecer energia por meio de uma interface sem fio em aplicativos tão variados quanto carregadores de fones de ouvido e placas de indução, mas até onde essa tecnologia pode nos levar? Será que algum dia seremos capazes de carregar um carro sem conectar um cabo ou levar energia da rede a lugares remotos sem plantar postes e cavar fossos?

Existem duas formas principais de fornecimento de energia sem fio. O primeiro envolve o acoplamento estreito de um transmissor e um receptor, formando um campo elétrico ou magnético entre eles e, em seguida, usando-o para transferir energia de um para o outro. Alguns esquemas de transferência de energia intimamente acoplados usam um campo elétrico para acoplar dois eletrodos. Muitos outros, como placas de indução, escovas de dente elétricas e carregadores de telefone sem fio, criam um campo eletromagnético no transmissor e usam esse campo para induzir uma corrente elétrica em um receptor próximo, que pode então agir - como carregar uma bateria.

A segunda abordagem principal é o acoplamento radiativo, que envolve o direcionamento de um feixe de energia, geralmente na forma de ondas de rádio de alta frequência, para um receptor que está altamente sintonizado para capturar o máximo possível dessa energia.

O alinhamento entre o emissor e o receptor é muito importante para uma transferência eficiente de energia. (Imagem:Molex Ventures)

Cada abordagem tem vantagens e limitações, com a eficiência da transferência de energia e a faixa de transmissão sendo duas das medidas de mérito mais importantes. Para esquemas intimamente acoplados, o alinhamento entre o emissor e o receptor é muito importante para a transferência eficiente de energia. Se você usou um fogão de indução, você saberá disso instintivamente, pois uma panela para de aquecer imediatamente quando é movida do centro marcado de seu anel. Você também deve ter notado o grande número de ímãs que são incorporados na parte de trás dos smartphones mais recentes para garantir que o disco de carregamento sem fio esteja perfeitamente alinhado com a bobina do receptor do telefone. Com os tempos de carregamento sendo tão vitais para a utilidade percebida de novos telefones celulares, garantir que o carregamento sem fio seja o mais eficaz possível vale bem a pena o esforço de engenharia e os custos de fabricação por unidade.

Vemos desafios semelhantes em uma escala muito maior com esforços para desenvolver padrões para carregamento sem fio de veículos elétricos. Uma pesquisa recente de empresas automotivas conduzida pela Molex revelou que 36 por cento dos entrevistados acreditam que, em 2030, o carregamento sem fio será um recurso padrão. Nos telefones celulares, as taxas de carregamento são medidas em dezenas de watts. Os veículos elétricos (EVs), entretanto, precisam de taxas de carregamento de 50KW a 250KW para se tornarem alternativas práticas aos veículos com motor de combustão interna para viagens longas. Obter o alinhamento correto entre a bobina de transmissão no solo e a bobina de captação sob o carro será muito importante. Afinal, as perdas de transferência de alguns por cento devido ao mau alinhamento podem significar centenas de watts de energia sendo dissipados como calor inútil na interface entre as bobinas de transmissão do carregador e o receptor do veículo.

Um conceito para faixas de carregamento sem fio de veículos elétricos? (Imagem:Molex Ventures)

A SAE International já publicou um padrão (J2954_202010) para lidar com muitas das questões que envolvem o carregamento de veículos sem fio. Ele estabelece critérios para interoperabilidade, compatibilidade eletromagnética, EMF, desempenho, segurança e teste de sistemas de transferência de energia sem fio para uso em EVs plug-in para serviços leves. A especificação deve ser usada em aplicações de carregamento estacionário, embora aplicações dinâmicas possam ser consideradas no futuro. Em sua forma atual, é limitado a almofadas de carga acima do solo e não cobre instalações embutidas.

O padrão SAE J2954 também define uma abordagem de alinhamento que ajudará os motoristas a alinhar seus veículos com a almofada de carga, para garantir uma transferência de energia eficiente, além de fornecer a infraestrutura para que os carros possam fazer isso de forma autônoma no futuro. Mas vai ser necessária uma boa engenharia e muita disciplina do usuário para garantir que o carregamento sem fio seja tão fácil e rápido quanto precisa ser para deslocar o comportamento rotineiro do usuário de simplesmente conectar o carro como se estivesse em uma bomba de gasolina.

O carregamento sem fio de telefones celulares em carros é talvez a melhor ilustração até o momento da promessa incerta da transferência de energia sem fio hoje. Resumindo:só funciona quando o telefone é colocado em um local específico para garantir um alinhamento forte entre as bobinas do transmissor e do receptor.

Várias formas de almofadas de carregamento. Da esquerda para a direita:rack de carregamento sem fio, base de carregamento sem fio e porta-copo de carregamento sem fio (Imagem:Molex Ventures)

Os usuários de telefones celulares não perdoam, e é por isso que os smartphones mais novos têm ímãs tão fortes atrás de seu revestimento para facilitar o alinhamento. Mas esse tipo de carregamento sem fio ainda é uma experiência parcialmente conectada - você precisa ir até o local onde a base de carregamento está situada. Uma melhor experiência do usuário envolveria a capacidade de carregar um dispositivo em qualquer lugar em um volume especificado, sem a necessidade de acoplamento próximo e alinhamento preciso com uma bobina de carga. Uma startup financiada pela Molex Ventures chamada Ossia faz exatamente isso, usando uma estratégia parecida com os arranjos de antenas MIMO usados ​​em sistemas avançados de WiFi e 5G para permitir que a energia seja transmitida a um dispositivo mesmo quando ele não está na linha de visão do transmissor.

Na abordagem da Ossia, um transmissor de energia envia um sinal regular de sua antena para sincronizá-lo com quaisquer dispositivos compatíveis próximos. Cada receptor então envia de volta um sinal de farol que anuncia sua presença e suas necessidades de energia. O transmissor de energia mede a fase de cada sinal de farol e usa isso para descobrir a direção na qual ele deve enviar energia para uma transferência de energia mais eficiente.

Essa abordagem funciona com um transmissor de antena única, mas os transmissores de potência com várias antenas podem medir as fases ligeiramente diferentes do sinal do farol que chega a cada uma delas, para estabelecer o caminho de transmissão mais eficiente com mais precisão. O transmissor de potência pode então ajustar a fase e a potência de saída de cada uma de suas antenas para direcionar um feixe coerente de energia para o receptor. E esse caminho não precisa estar na linha de visão - se o sinal do farol enviado por um receptor de energia ricocheteou em uma parede no caminho para o transmissor, o transmissor de energia direcionará seu feixe de volta ao mesmo caminho.

Um dispositivo habilitado com o receptor de energia Ossia Cota envia um sinal de farol para localizar o transmissor de energia Cota, que então fornece energia sem fio através do mesmo caminho. (Imagem:Molex Ventures)

O transmissor também pode suportar vários dispositivos em um volume. Cada receptor dentro desse volume mede quanta energia precisa e envia essas informações ao transmissor como uma solicitação. O transmissor então compara todas as solicitações dos receptores que está servindo e aloca pulsos de energia sem fio para cada um dos receptores de acordo com suas necessidades.

A promessa dessa abordagem, a empresa argumenta, é que, uma vez que a energia possa ser fornecida dessa forma, todos os tipos de suposições sobre como os dispositivos são alimentados no ambiente podem ser repensados. O paradigma muda de carregamento sem fio para fornecimento de energia sem fio. Por exemplo, alarmes de fumaça de teto nunca precisariam de uma bateria nova e os aspiradores de pó robôs fariam seu dever sem a necessidade de retornar a uma estação de acoplamento volumosa.

Os telefones celulares nos ensinaram que podemos acessar qualquer coisa de um dispositivo portátil, uma facilidade que é limitada apenas pelo acesso à largura de banda e níveis adequados de carga da bateria. A transferência de energia sem fio parece ser uma maneira útil de evitar conectar um telefone ou um carro - mas no final, ainda está amarrado ao local do carregador. Se for prático alimentar dispositivos sem fio onde quer que estejam dentro de um volume definido, poderemos ver nossas oportunidades e comportamentos mudando da mesma forma que mudamos quando mudamos de telefones fixos para smartphones.

Em última análise, a mudança virá com desenvolvimentos nas tecnologias de suporte - como sensores para ajudar com problemas de alinhamento ou soluções de gerenciamento térmico para facilitar o carregamento de alta potência. Isso requer experiência que ofereça um caminho para um mundo cada vez mais conectado, mas sem restrições.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times Europe.

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Lily Yeung é diretor de desenvolvimento corporativo da Molex, LLC e vice-presidente da Molex Ventures, LLC, uma subsidiária da Molex. Combinando experiência em finanças, pesquisa e análise e tecnologias emergentes, Lily agora atua na linha de frente, promovendo a inovação na Molex e na indústria de eletrônicos. Ela é responsável por promover o ecossistema empreendedor, trabalhando diretamente com startups com visão de futuro, incubadoras, grupos de anjos, firmas de capital de risco e grupos de capital de risco corporativo. Ao fazer investimentos de capital estratégico em empresas promissoras em estágio inicial, a Molex Ventures nutre startups com o maior potencial para causar um impacto positivo nas indústrias e na sociedade.

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