Draadloze energieoverdracht is niet nieuw, alles behalve dat, maar door standaardisatie komt de technologie wel binnen handbereik van steeds meer ontwikkelaars en voor steeds meer verschillende applicaties. In het huidige speelveld zijn meerdere standaarden actief, gebaseerd op verschillende achterliggende technologieën. Waar gaat het heen, wat zijn de voordelen van de verschillende technologieën en standaarden, en, eenmaal een standaard gekozen, welke design-overwegingen moeten dan worden gemaakt?
Draadloze energieoverdracht is de laatste jaren bezig aan een langzame opmars. Op dit moment zijn de meeste applicaties op de markt nog terug te vinden binnen de consumentenelektronica, bijvoorbeeld bij de mobiele telefoons. Er is echter een duidelijke interesse zichtbaar in de markt voor industriële en medische apparatuur en in automotivesystemen.
Grofweg is het speelveld van standaarden onder te verdelen in twee technologieën: inductieve koppeling en magnetische resonantie. Beide hebben hun eigen voor- en nadelen. Inductief koppelen geeft een relatief hoog rendement, maar beperkt de afstand en positionering sterk. Bij resonantie-gekoppelde systemen zien we het tegenovergestelde: de bewegingsvrijheid is groter, maar het rendement is duidelijk lager. Daarnaast geeft deze technologie meer uitdagingen met betrekking tot de emc-eisen, want zowel het magnetisch veld als de gebruikte frequentie is veel groter.
De afgelopen jaren hebben verschillende industriegroepen hun eigen standaarden gepusht. In het kamp van de magnetische resonantie vinden we de Alliance for Wireless Power (A4WP) met zijn standaard. Het voordeel van deze standaard is de relatief grote bewegingsvrijheid. Zo is in de z-richting typisch een afstand tot vijf centimeter mogelijk, waar het bij de eerste versies van inductieve standaarden ophield bij tien millimeter. Ook wat betreft horizontale bewegingen komt de techniek niet zo nauw. Daarnaast maakt de inductieve-resonantiekoppeling het mogelijk om meerdere apparaten tegelijkertijd van energie te voorzien.
In de huidige A4WP-standaard zijn klassen tot tweeëntwintig watt opgenomen met een aangekondigde uitbreiding naar negentig watt in de nabije toekomst. De frequentie ligt relatief hoog, op 6,78 MHz (de ism-band). Daarnaast is er in de standaard ruimte opgenomen voor een Bluetooth Smart-communicatieprotocol dat ook gebruikt kan worden door de ontwikkelaar.
Bringing Ethernet to the Edge of Industrial Networks
Microchip has introduced new industrial-grade Single Pair Ethernet devices that implement the 10BASE-T1S and 100BASE-T1 physical layer. These products bring Ethernet all the way to the edge of industrial networks. Read more about Microchip’s Single Pair Ethernet.
A4WP kondigde eerder dit jaar aan samen verder te gaan met de Power Matters Alliance (PMA), die een standaard gebaseerd op magnetische-inductie ontwikkelde. De resulterende nieuwe Rezence-standaard moet beide technologieën gaan ondersteunen.
Tachtig mobiele telefoons
Op het moment is het echter interessanter te kijken naar de Qi-standaard (spreek uit: ‘tsjie’, Chinees voor ‘het vloeien van energie’) van het Wireless Power Consortium (WPC). Net als PMA is dit een inductieve variant, maar Qi heeft op het moment duidelijk het meeste momentum in de markt. Op het moment van schrijven zijn er zevenhonderdvijftig gecertificeerde apparaten (tachtig mobiele telefoons) en telt de industriegroep 213 leden. Overigens zijn er ook chipsets die zowel Qi als PMA ondersteunen.
Op dit moment maakt Qi energieoverdracht tot vijf watt mogelijk. In de nabije toekomst zal dit uitgebreid worden tot vijftien watt en verder weg worden oplossingen voorzien tot 2,4 kW. Via de inductieve koppeling is tevens een eenrichtingscommunicatiekanaal beschikbaar waarmee de ontvanger het gewenste vermogen aan de zender kan doorgeven en voor zaken als foreign object detection. Deze communicatie is enkel bedoeld voor het systeem en niet beschikbaar voor de ontwikkelaar. Qi-systemen werken op relatief lage frequenties van tussen 100 en 205 kHz. Voor de 2,4 kW-oplossing is nog geen frequentie vastgelegd, maar die zal vermoedelijk nog lager zijn.
Voor de toekomst staat ook een uitbreiding naar magnetische resonantie op de agenda. Hierdoor wordt het belangrijkste bezwaar, de beperkte bewegingsvrijheid, opgeheven. Dit systeem zal terugwaarts compatibel zijn met de voorgaande versies.
Duizenden euro’s
Ontwikkelaars hebben door het ontstaan van standaarden de beschikking over een enorme hoeveelheid kant-en-klare en gunstig geprijsde oplossingen voor draadloze energieoverdracht. De standaarden zijn echter allemaal gericht op toepassingen zoals smartphones. Een typische ontwikkelaar in de Benelux ontwikkelt dit soort producten helemaal niet. Ontwikkelingen hier richten zich doorgaans op de eigen producten en bijhorende accessoires, en compatibiliteit met apparatuur van derden is vaak helemaal geen doelstelling. Soms is dat zelfs onwenselijk.
Gelukkig zijn er ook voor deze groep ontwikkelaars mogelijkheden. Sowieso kunnen de beschikbare ic’s voor bijvoorbeeld Qi gewoon worden gebruikt voor een eigen toepassing. De Qi-certificering van ettelijke duizenden euro’s kan dan achterwege worden gelaten (het is dan ook niet toegestaan om het Qi-logo op de applicatie te zetten).
Wanneer de beperkingen van dergelijke ic’s te groot zijn – Qi-systemen vereisen bijvoorbeeld een minimaal rendement van inductieve energieoverdracht – dan zijn er ook mogelijkheden voor eenvoudige eigen systemen op kleine schaal. Linear Technologies heeft bijvoorbeeld een ic op de markt gebracht waarbij tot twee watt aan energie is over te brengen. Dit is een eenvoudig systeem dat eenvoudig is in te passen in veel low-power applicaties, bijvoorbeeld om een Li-ionaccu te laden.
Begintijd
Een Qi-systeem gebruikt enerzijds een zender met een spoel waarin een wisselend magnetisch veld wordt opgewekt met een wisselstroom, en anderzijds een ontvanger die met een spoel een spanning genereert uit dit magneetveld. Zowel de zend- als de ontvangstspoel wordt verbonden met een condensator. Daardoor ontstaat een resonantiecircuit. Wanneer de frequenties in zender en ontvanger op elkaar worden afgestemd, kan de ontvangstspoel een groot deel van de magnetische flux onderscheppen.
Bij draadloze energieoverdracht wordt de efficiëntie voor een groot deel bepaald door de gebruikte componenten en de onderlinge positioneringsmogelijkheden. Voor de spoelen is het belangrijk om exemplaren te kiezen met een hoge Q-factor, de verhouding tussen het ideale gedrag en het weerstandsgedrag. Pas hier echter wel op; de Q-factor is een frequentieafhankelijke parameter en moet bekeken worden op de frequentie met de meeste energieoverdracht. De efficiëntie wordt bovendien bepaald door de zend- en ontvangstspoel samen. Het beste rendement wordt bereikt met een spoelcombinatie die een gekoppelde Q-factor heeft van boven de honderd.
Voor de condensator is het belangrijk dat deze een nauwkeurige en stabiele waarde heeft in het werkgebied van de applicatie. Omdat de condensator feitelijk niet wordt gebruikt voor het opslaan van energie, kunnen we kiezen voor een keramisch exemplaar. Gezien de stabiliteitseisen ligt de keuze voor een np0-type voor de hand.
De onderlinge positionering van zender en ontvanger maakt of breekt de energieoverdracht. In de begintijd van Qi werd er daarom een magneet in het midden van de spoelen voorzien. Dit werkt op zich prima, voornamelijk voor kleine en lichte objecten. De permanente magneet heeft echter een negatief effect op de inductieve koppeling van de twee systemen en daarmee op de Q-factor. Daardoor kwam het voor dat de koppeling uiteindelijk minder goed was dan een oplossing zonder centreermagneet. In de nieuwere spoelen komt deze magneet dan ook niet meer voor.
De ontwikkelaar doet er daarom goed aan rekening te houden met de positioneringsmogelijkheden. Bij het ontwerp en de materiaalkeuze van de behuizing kan al veel worden gewonnen. Het spreekt voor zich dat in de behuizing waar de magnetische koppeling gebeurt geen metalen aanwezig mogen zijn.
Er is nog een ander belangrijk punt waar de ontwerper rekening mee moet houden. Als het magnetische veld niet wordt beperkt tussen de twee spoelen, zal een groot deel van de energie verloren gaan. Minstens zo erg is dat het veld allerlei problemen kan veroorzaken op emc-gebied. Als een dergelijk veld door de print loopt, beïnvloedt dat de signalen. Mocht het veld kruisen met een metalen deel of bijvoorbeeld een Li-ionaccu, dan ontstaan wervelstromen en kan de omgeving gevaarlijk opwarmen.
Het is dus zaak om het magnetisch veld te concentreren tussen twee ferriettegels. Daarbij is het belangrijk het juiste materiaal te kiezen. Een tegel gemaakt van MnZn in plaats van het goedkopere ijzerpoeder zal de afscherming (het emc-gedrag) en de efficiëntie duidelijk verbeteren.
Slimme pan
Er zijn reeds diverse projecten uitgerold waarbij grootschalig is gekozen voor draadloos opladen. Zo hebben de Starbucks-vestigingen in de Verenigde Staten een draadloos oplaadpunt in het tafelmeubilair gekregen. In Europa doen de McDonalds-vestigingen vrolijk mee. Ikea is ook op de boot gesprongen en biedt haar klanten sinds kort de mogelijkheid om meubels te voorzien van oplaadpunten. Hiermee is een groot offensief begonnen om draadloos opladen tot in onze huiskamer te integreren. Daarbij gaat het niet alleen om mobiele telefoons; ook afstandsbedieningen, tablets en zelfs verlichting zijn hiermee van energie te voorzien.
Binnen hetzelfde huis is nog een ontwikkeling gaande. Niet in de woonkamer, maar in de keuken. Al enige tijd wordt er druk ontwikkeld aan een standaard voor de ‘wireless kitchen’, met inductief gevoede apparatuur. Duidelijk is dat we hier dus niet meer spreken over vijf-watt-applicaties. Vermogens kunnen variëren van honderd watt tot 2,4 kW voor apparaten als een waterkoker, koffiezetapparaat of broodrooster – in landen waar een lagere netspanning wordt gebuikt dan in Europa zullen significant hogere stromen gaan lopen en wordt het maximale vermogen beperkt tot ongeveer 1,5 kW.
Hier moet uiteraard speciale apparatuur voor worden ontwikkeld. Een voorbeeld hiervan is de ‘smart pan’. De technologie werkt op hetzelfde principe als een inductiekookplaat, maar waar dat een ‘dom’ apparaat is dat elk metalen oppervlak zal verhitten, zal de slimme pan met de zender communiceren voor het regelen van de hoeveelheid energie en het detecteren van ongewenste voorwerpen. Daarnaast zijn uitgebreidere functies zoals timers en programma’s mogelijk.
Uiteraard brengt dit hoge vermogen veel nieuwe uitdagingen met zich mee. Een van de doelen van de specificatie die nu in ontwikkeling is, is om ervoor te zorgen dat onder alle omstandigheden een veilige situatie behouden blijft. Ook zullen de emc-normen een uitdaging kunnen worden.
Draadloze energieoverdracht heeft de toekomst, en dan niet alleen voor de consument maar ook zeker voor de industrie en medische markt. Uiteraard niet voor alle applicaties, maar waar robuustheid en corrosiebestendigheid de voorwaarden zijn, biedt deze technologie interessante mogelijkheden.