Inductieve opladers zijn al geruime tijd op de markt en "draadloos opladen van smartphones is al mogelijk", zou je daarom kunnen zeggen. Niet helemaal onwaar natuurlijk, maar 'connectorloos opladen' is misschien een meer geschikte term om de huidige technologie te beschrijven. Inductief opladen vereist namelijk nog steeds nauw contact tussen het laadstation en het apparaat dat moet worden opgeladen. Dit beperkt niet alleen het gebruik ervan voor smartphones, maar maakt de huidige technologie ook onbruikbaar voor IoT-sensoren die onze omgeving steeds meer zullen bevolken. Dankzij ontwikkelingen in 5G, industrie 4.0, slimme steden, slimme gebouwen, slim verkeer etc. zullen we een toename zien van sensoren en apparaten die door een batterij gevoed worden. Het zal onmogelijk zijn om ze op te laden via stroomkabels of korte-afstand inductieve methoden. Eerder zullen ze hun energie uit de omgeving moeten halen. Vooral in indoor-toepassingen, waar andere methoden zoals fotovoltaïsche of thermische energieomzetting snel tegen hun limieten aanlopen, is draadloos opladen een uitstekende kandidaat om verder te ontwikkelen.
Echt draadloos opladen zou dan op een gegeven moment betekenen: voldoende energie vanop langere afstand, zonder dat er een directe line-of-sight nodig is én gericht op zowel mobiele als vaste apparaten.
Tot nu toe is er nog geen technologie op de markt die aan een of meer van deze specificaties voldoet. Toch kan men dankzij de recente doorbraken bij imec beginnen dromen van een niet zo verre toekomst waarin dit alles werkelijkheid kan worden.
Beperkt door de wetten van de natuurkunde en van de overheid
Zoals Menno Treffers, voorzitter van het Wireless Power Consortium, opmerkt in zijn blogpost "Dreaming of power through the air", zijn de wettelijke limieten voor blootstelling aan elektromagnetische velden waarschijnlijk een van de belangrijkste redenen waarom nog niemand draadloos opladen vanop grotere afstand succesvol op de markt heeft weten brengen. De wetten van de natuurkunde stellen dat bij sferische uitbreiding van elektromagnetische golven de vermogensdichtheid kwadratisch afneemt met de afstand. Voor ultra-laag vermogen kan dit er nog steeds toe leiden dat er op enkele meters van het laadstation voldoende vermogen overblijft. En voor deze erg specifieke context kunnen dus al commerciële oplossingen worden gevonden. Al blijft de afstand waarover kan opgeladen worden vatbaar voor verbetering.
Eerste resultaten aangetoond voor opladen van IoT-sensoren over grotere afstand
De voorbije jaren bouwde imec al een demonstrator die een continu vermogen van 25 microwatt (voor 1,5 of 3V) realiseert op vijf meter afstand van een 3-watt eirp zender (eirp is het product van het zendvermogen en de antenneversterking).
Dit is qua afstand waarover dergelijk vermogen beschikbaar is een twee- tot drievoudige verbetering ten opzichte van commerciële oplossingen.
Door deze energie op te slaan in een condensator is het mogelijk om elke twee minuten enkele tientallen milliwatt te leveren gedurende enkele microseconden. Voldoende om een radio (bijv. Nordic low power) aan te zetten, een sensor te activeren om bepaalde gegevens te meten en deze draadloos door te sturen naar een ontvanger. Een scenario dat imec heeft aangetoond in de 915MHz en 2,45GHz frequentiebanden, twee licentievrije banden in respectievelijk de U.S. en wereldwijd voor de industrie, wetenschap en geneeskunde (ism – industry, science and medicine).
Om deze resultaten te behalen, heeft imec twee specifieke rectenna (gelijkrichtende antenne) prototypes gebouwd die verantwoordelijk zijn voor de stroomomzetting in de ontvanger. Voor deze prototypes gebruikte imec een enigszins onconventionele benadering bij de systeemoptimalisatie. Bij systeem optimalisatie moet je rekening houden met het beschikbare vermogen waarbinnen het hele systeem moet opereren. Normaal wordt dit verdeeld om elk blok afzonderlijk te optimaliseren (bv. gelijkrichter, omzetter, vermogensbeheer...). In plaats van deze aanpak, koos imec voor een suboptimale gelijkrichter die een relatief hoge gelijkspanning levert ten opzichte van een optimale versie. Het verlies aan prestaties in dit ene blok wordt echter gecompenseerd door een winst in de beschikbare energie-enveloppe om vervolgens het vermogensbeheercircuit verder te optimaliseren dan normaal. En dit leidt uiteindelijk tot een betere algemene prestatie van het hele systeem dan wanneer elke bouwsteen afzonderlijk wordt geoptimaliseerd.
Twee rectenna prototypes voor stroomomzetting in draadloos oplaadbare apparaten. Eén voor de 915MHz U.S.-ism band (links) en één voor de wereldwijde 2,45GHz ism band (rechts). Beide prototypes hebben een geminiaturiseerde antenne geïntegreerd op de pcb. De 2,45GHz rectenna is afgeschermd met een grondvlak waardoor integratie op metalen behuizingen mogelijk is.
Hoewel voldoende voor IoT-sensoren, zijn de gerealiseerde vermogens verre van voldoende om apparaten zoals smartphones van stroom te voorzien. En er is weinig of niets meer te winnen aan de kant van de ontvanger. Om de energieopbrengst te verkrijgen die nodig is om apparaten met een hoger vermogen op te laden, zou je de zender moeten opdrijven tot een wettelijk onaanvaardbaar niveau.
Meervoudige antenne-opstelling om vermogensbeperkingen over grotere afstanden te overwinnen
Toch heeft imec een manier gevonden om deze schijnbare beperkingen te overwinnen.
Door de zendkracht van meerdere antennes te combineren in een triangulatie-achtig mechanisme, kan een relatief kleine bolvormige bubbel gecreëerd worden met een voldoende hoge vermogensdichtheid. En dit zonder stralingslimieten te overschrijden en zonder het spectrum buiten de bubbel te 'verontreinigen'.
Door gebruik te maken van een triangulatie-achtig concept met meerdere antennes (boven), kan een bubbel met een hoger vermogen worden gecreëerd (rechtsonder) zonder de wettelijke stralingslimieten te overschrijden. Linksonder: een klassiek bolvormig antenne-stralingspatroon voor radio-uitzendingen. Midden onderaan staat een directionele antenne. Dergelijke oplossingen worden in 5G-scenario's onderzocht, maar zijn nog steeds beperkt toepasbaar in de ism-banden.
In deze opstelling kunnen alle antennes met de wettelijk toegestane stroomsterkte uitzenden, maar dan in verschillende tijdsintervallen. De opgewekte sferische elektromagnetische golven bewegen zich dan onafhankelijk van elkaar voort (en zijn onderhevig aan het beschreven kwadratisch vermogensverlies). Door de tijdsintervallen slim te programmeren kan imec een brandpunt creëren waarin deze golven in fase samenkomen. In dit punt tellen de vermogensdichtheden dan bij elkaar op, waardoor een bubbel met een hogere vermogensdichtheid ontstaat. Deze kan worden gepositioneerd op de plaats waar een apparaat moet worden opgeladen.
Voor een opstelling met N antennes is de behaalde winst in gemiddeld vermogen N en in piekvermogen N2. Dus met twee antennes krijg je een verdubbeling van het gemiddelde vermogen en een vier keer zo hoog piekvermogen. Dit is een meer vooruitstrevende aanpak dan de scenario’s met slimme antennes die in 5G-contexten worden onderzocht. Deze maken gebruik van directionele stralen, maar hebben nog steeds last van de wettelijke vermogensbeperkingen in de ism-band.
Van in het zicht naar uit het zicht, van vast naar mobiel
Op basis van dit concept heeft imec een eerste reeks succesvolle experimenten uitgevoerd. Zelfs in een niet-geoptimaliseerde omgeving – met niet-ideale pulsen en veel reflecties en verstrooiing – bevestigen deze tests de theoretische vermogenswinst en het feit dat – door het afstemmen van de tijdsintervallen – vermogensbubbels kunnen worden gecreëerd op een locatie naar keuze. Hoewel veelbelovend, dient ook wel gezegd dat de opstelling nog uitging van een relatief eenvoudige opzet: de antennes lagen relatief ver uit elkaar en de positie van het op te laden apparaat veranderde niet en was vooraf bekend.
Nu wil imec het hele idee naar een hoger plan brengen en daarvoor zijn reeds patenten in aanvraag. In het huidige onderzoek komen de antennes veel dichter bij elkaar (zodat ze deel kunnen uitmaken van eenzelfde router of basisstation) en dient het object niet in het zicht te staan van de zender. Doel is om objecten te kunnen opladen, zelfs als zich om de hoek bevinden of als er een obstakel is in de directe lijn tussen zender en ontvanger. Dit is mogelijk door een slimme analyse van uitgezonden signalen die na verstrooiing en reflectie terugkomen bij het basisstation. Eenmaal in de praktijk gedemonstreerd, wordt dit een belangrijke troef om reële toepassingen mogelijk te maken waarbij één station meerdere (IoT-)apparaten in dezelfde kamer kan laden zonder gehinderd te worden door andere objecten in de omgeving.
Om nog een stap verder te gaan, ontwikkelt imec ook een methodologie om passieve locatiedetectie van het op te laden apparaat mogelijk te maken. Wat betekent dat de zender het op te laden apparaat kan detecteren en beginnen opladen, zelfs als diens batterij al helemaal leeg is. Eenmaal gedemonstreerd, kan dergelijke oplossing bijvoorbeeld waardevol zijn voor het opladen van smartphones, aangezien niemand zijn smartphone elke keer op dezelfde plaats wil leggen telkens als hij moet worden opgeladen. Voor IoT-toestellen kan deze functie op het eerste gezicht minder belangrijk lijken, omdat de meeste IoT-sensoren op een vaste plaats worden gemonteerd (bv. sensoren voor luchtkwaliteit), of de mogelijkheid hebben om terug te keren naar een bekende positie (bv. sensoren op een industriële robot die na elke handeling terugkeert naar zijn stand-by positie). Toch mogen de potentiële voordelen van locatiebepaling ook voor IoT-scenario's niet worden onderschat. Vermogensbeperkingen behoren tot de meest limiterende specificaties in het ontwerp van IoT-systemen. Niet uitzonderlijk moeten sensoren een autonomie van meerdere jaren hebben op één batterijlading. Bijvoorbeeld bij asset management of het monitoren van industriële processen. Dit betekent dat de hoeveelheid gegevens die kan worden verzameld tot een minimum beperkt blijft, zonder nog maar te spreken over de beperkte rekenkracht die in dergelijke sensoren kan worden ingebouwd.
Wat als passieve locatiebepaling laadstations in staat stelt om IoT-sensoren op te laden, zelfs als ze zich niet op een vaste plaats bevinden? Dit kan het beschikbare vermogensbudget drastisch verhogen en daarmee ook het intelligentieniveau dat erin kan worden verwerkt.
Imec werkt momenteel aan de experimentele opzet om dit alles mogelijk te maken en is actief op zoek naar industriële partners die willen bijdragen aan de ontwikkeling van deze concepten en technologieën tot overdraagbare oplossingen voor commerciële marktpartijen.
Meer weten?
- Wil je als onderzoeks- of industriële partner bijdragen aan de verdere ontwikkeling van deze technologie? Laat het ons weten via dit contactformulier.
- “Dreaming of Power through the Air”: een blog post van Menno Treffers, voorzitter van het Wireless Power Consortium, een open samenwerkingsverband voor de ontwikkeling van standaarden met lidmaatschap van meer dan 600 bedrijven wereldwijd.
- Dit artikel bouwt voort op de eerste resultaten die al beschreven werden in een artikel in Bits&Chips: “Iot-devices voeden met radiogolven”.
- Volg ook de Wireless power week 2019, 17-21 Juni, Londen, voorgezeten door Huib Visser.
