CARREGADOR DE BATERIA SEM FIO
Princípio do carregamento sem fio
O conceito de carregamento sem fio baseia-se no acoplamento indutivo usando um campo eletromagnético que transfere energia do transmissor para o receptor.
A transferência de energia sem fio não é nova. Em 1831, Michael Faraday descobriu através de um dos seus experimentos que utilizando uma barra de ferro onde havia duas bobinas enroladas, ao ligar ou desligar uma das bobinas na bateria, na outra passava uma corrente elétrica.
Foi assim que Faraday percebeu que ao variar o campo magnético, ligando ou desligando a bobina, surgia uma corrente elétrica na outra bobina, que é chamada de corrente induzida.
No final dos anos 1800 e no início dos anos 1900, Nicola Tesla demonstrou a transmissão sem fio e a transmissão de energia. Os experimentos em Colorado Springs em 1899 levaram à construção da Torre Wardenclyffe (também conhecida como torre de tesla) que foi projetada com a intenção de demonstrar a transmissão de energia sem a utilização de fios, entretanto por falta de financiamento Tesla teve que interromper o projeto audacioso.
Foi só na década de 1920 que a transmissão pública começou. A Europa construiu transmissores massivos que cobriram muitos países. A estação em Beromünster, na Suíça, poderia ter transmitido sinais de rádio a 600 kW, mas a legislação e protestos da população local limitou a energia a 180 kW.
Desde então, estações FM menores substituíram esses grandes transmissores nacionais; repetidores celulares e estações Wi-Fi transmitem com uma fração dessa potência e muitos estão em um dígito de watt.
Carregamento sem fio x transmissão de rádio
O carregamento sem fio compartilha semelhanças com a transmissão de rádio. Ele envia determinados sinais (em uma condição de campo próximo) em que a bobina primária produz um campo magnético que é captado pela bobina secundária nas proximidades.
O transmissor de rádio, por outro lado, funciona segundo o princípio do campo distante, enviando ondas que viajam pelo espaço. Enquanto a bobina receptora do carregador sem fio captura a maior parte da energia gerada, a antena receptora do rádio precisa apenas de alguns microvolts (um milionésimo de volt) para recuperar um sinal recebido.
O carregamento sem fio pode um dia substituir plugues e fios, de maneira semelhante à forma como o Bluetooth e o Wi-Fi modernizaram a comunicação pessoal.
Tipos de carregamento sem fio
Carregamento indutivo
A maioria dos carregadores sem fio da atualidade utiliza carregamento indutivo de 100-300 KHz com bobinas de transmissão e recepção nas proximidades. As escovas de dente elétricas foram um dos primeiros bens de consumo a adotar esse método.
Carregamento por ressonância magnética
Baterias maiores para veículos elétricos usam carga de ressonância a 6,78 MHz fazendo um "anel" de bobina. O campo magnético oscilante funciona em um raio de 1 metro (3 pés). Para permanecer no campo de potência, a distância entre a bobina de transmissão e recepção deve estar dentro de um quarto do comprimento de onda.
O carregamento por ressonância não se limita a carregadores sem fio de alta potência; ele é usado em todos os níveis de potência. Enquanto um sistema de 3 kW para carregamento de EV atinge uma eficiência relatada de 93–95 por cento com um entreferro de 20 cm (8 polegadas), um sistema de 100 W é melhor do que 90 por cento eficiente; entretanto, o sistema de 5W de baixa potência permanece na faixa de eficiência de 75–80 por cento. A carga por ressonância ainda está em fase experimental e não é amplamente utilizada.
Carregamento de Rádio
O carregamento de rádio atende dispositivos de baixa potência operando em um raio de 10 metros (30 pés) do transmissor para carregar baterias em implantes médicos, aparelhos auditivos, relógios, dispositivos de entretenimento e chips RFID (identificação por radiofrequência) a 900 MHz e superior. O transmissor envia uma onda de rádio de baixa voltagem e o receptor converte o sinal em energia. O carregamento de rádio, também conhecido como RF, assemelha-se à transmissão de rádio; ele oferece alta flexibilidade, mas tem baixo consumo de energia e expõe as pessoas à poluição elétrica.
Padrões para carregamento sem fio
O carregamento sem fio precisava de um padrão global e o Wireless Power Consortium (WPC) conseguiu isso em 2008 ao introduzir a norma Qi. Isso abriu a porta para os fabricantes de dispositivos oferecerem carregadores para dispositivos compatíveis com Qi com 5 watts de potência.
Powermat, um participante do Qi, acabou rompendo por causa de uma desavença e em 2012 começou a PMA como uma nova norma competitiva. O PMA é semelhante ao Qi, mas funciona em uma frequência diferente.
Uma guerra está sendo travada por Qi e PMA. Para acomodar os dois sistemas, alguns fabricantes oferecem carregadores e dispositivos móveis que atendem aos dois padrões.
Também em 2012, A4WP, agora conhecido como AirFuel, anunciou o carregamento de ressonância que permite a liberdade de movimento enquanto carrega simultaneamente vários dispositivos. A Tabela abaixo resume as três normas.
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WPC OU QI (Consórcio De Energia Sem Fio) |
PMA (Power Matters Alliance) |
AIRFUEL, ANTERIORMENTE A4WP (Alliance For Wireless Power) |
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Estabelecido |
2008, Qi foi o primeiro padrão de carregamento sem fio |
2012, Procter & Gamble e Powermat |
2005, 2012 por MIT, Intel, Samsung, |
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Tecnologia |
Carregamento indutivo, |
Carregamento indutivo, |
Carregamento ressonante; fracamente acoplada; carrega vários dispositivos simultaneamente. |
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Mercados |
Amplo uso global para dispositivos portáteis |
Competitivo com Qi |
Dispositivos vestíveis, médicos, IoT e dispositivos industriais de baixa potência. |
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Membros e empresas |
Samsung, Panasonic, Sony, LG, TI, HTC, Motorola, Nokia, Philips, Verizon, BMW, Audi, Daimler, VW, Porsche, Toyota, Jeep e muito mais. |
Powermat, Samsung, TDK LG, TI, AT&T, Duracell, WiTricity, Starbucks Teavana, Huawei, FCC, Energy Star, Flextronics. |
PWA e AirFuel fundidos. Qualcomm, TediaTek, Intel, LG, HTC, Samsung, Deutsche Telecom, HP, Dell, Huawei. 3M, Motorola, Sony, Sharp. |
Como funciona o carregamento da tecnologia Qi
A tecnologia Qi carrega os aparelhos por indução magnética. Isso quer dizer que não precisamos conectar nenhum fio ao dispositivo a ser carregado, bastando a aproximação da base com o dispositivo.
Basicamente na base do carregador, que deve estar conectado à tomada, existe um circuito transmissor onde encontra-se uma bobina transmissora. Esta, recebe a corrente vinda da tomada e cria um campo magnético. Do outro lado, encontra-se o dispositivo que se deseja carregar, que necessita ser compatível com a tecnologia. No dispositivo deve haver um receptor com uma bobina receptora, onde aparecerá uma corrente induzida. No circuito receptor, a corrente alternada é transformada em corrente contínua que recarrega a bateria.
O tamanho da bobina também afeta a distância da transferência de energia sem fios. Quanto maior ou mais bobinas, maior a distância que a carga pode percorrer. No caso de pads de carregamento sem fio para celulares com certificação Qi, por exemplo, as bobinas de cobre têm apenas alguns centímetros de diâmetro, limitando severamente a distância sobre a qual a energia pode ser induzida de forma eficientemente.
Apesar de essa transmissão alcançar entre 60% e 70% da eficiência dos cabos, deve-se levar em conta que foi pensada para baterias de íons de lítio. E elas precisam de um carregamento mais lento, com menos energia. Exatamente como funcionam os carregadores sem fio.
Visão geral do sistema de carregamento sem fio Qi
Vantagens x Desvantagens
| Vantagens |
Desvantagens |
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| Compatível com vários dispositivos |
Preço |
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| Não há a necessidade de cabos e manutenções dos mesmos |
Demora maior para carregamento |
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| Praticidade e organização |
Impossibilidade de ficar mexendo no dispositivo enquanto carrega |
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| Segurança |
A tecnologia não está disponível para todos os dispositivos |
Carregamento sem fio para veículos elétricos
A tecnologia consiste em um sistema montado no solo trocando energia com uma bobina de recepção conectada no veículo elétrico na parte inferior. Sem a necessidade de qualquer conexão física.
Quando o carro está sobre o carregador há a transferência da energia através de um campo magnético. Esse sistema usa indução ressonante entre o carregador e o receptor para fornecer alta eficiência.
Empresas que estão aderindo a tecnologia
Volvo
A empresa Volvo está integrando e testando a tecnologia de carregamento sem fio em um ambiente de cidade ao vivo, juntamente com parceiros selecionados, avaliando seu potencial para futuros carros elétricos.
Durante um período de três anos, uma pequena frota de carros Volvo XC40 Recharge totalmente elétricos será usada como táxi por uma das maiores operadoras de táxi da Suécia (Cabonlineda) e carregada sem fio em estações na cidade de Gotemburgo (segunda maior cidade da Suécia).
A estação envia a energia através da zona de carregamento instalada no asfalto. O automóvel, por sua vez, recebe esta energia por meio de um receptor instalado na parte inferior do carro. Sem necessidade de cabos ou adaptadores.
O carregamento começa automaticamente quando um veículo compatível estaciona na zona de carregamento delimitada, permitindo que os motoristas carreguem convenientemente sem sair do automóvel.
Para facilitar o alinhamento do carro a zona de carregamento delimitada na rua, serão utilizadas câmeras de 360º graus.
A potência de carregamento é de 40KW e em cerca de 30 minutos o carro adquire uma autonomia de 100Km.
Siemens
A Siemens no ano de 2022 anunciou investimento de 24 milhões de dólares na empresa americana Witricity especializada em tecnologia sem fio para carros elétricos.
Ambas empresas irão trabalhar juntas para preencher as lacunas na padronização global de carregamento sem fio para veículos elétricos e apoiar os avanços gerais nesse segmento.
Segundo a Siemens o mercado de carregamento sem fio deve atingir 2 bilhões de dólares até 2028 somente na América do Norte e Europa.
Conclusão
Em suma podemos dizer que o carregamento sem fio oferece a conveniência máxima para os consumidores e permite o carregamento seguro em um ambiente perigoso onde uma faísca elétrica pode causar uma explosão. Além disso, permite o carregamento onde a graxa, poeira ou corrosão impediriam um bom contato elétrico.
Os fabricantes de veículos elétricos buscam conveniência no carregamento, e isso é elegantemente resolvido estacionando o veículo sobre uma bobina de transmissão. Os engenheiros falam sobre a incorporação de bobinas de carregamento em rodovias para carregamento contínuo enquanto dirigem ou esperam em um semáforo. Isso é tecnicamente viável, mas alto custo, baixa eficiência e emissão de campo ao transmitir alta potência continuam sendo um dos grandes desafios.
Energia eletromagnética de torres de rádio, telefones celulares, Wi-Fi e agora carregamento sem fio são categorizados como radiação não ionizante e são considerados inofensivos. Por outro lado, os raios ionizantes dos raios X podem causar câncer. Conforme o número de dispositivos não ionizantes cresce, as pessoas começam a questionar a segurança dessa forma de radiação também. As autoridades reguladoras estão observando os possíveis riscos à saúde e imporão restrições se os danos puderem ser comprovados.
Os problemas de saúde causados por ondas eletromagnéticas são inconclusivos; no entanto, carregar um telefone celular próximo ao corpo é uma preocupação. No modo de espera, o dispositivo está constantemente buscando contato com uma torre, transmitindo sinais de rádio. A potência de transmissão é ajustada para a proximidade da torre e é maior em áreas remotas.
Tornar-se sem fio exige um acréscimo de custo de 25 por cento na estação de carregamento, um fardo que também afeta o receptor. Para consumidores que não querem pagar o preço, a cobrança por fios continua sendo uma alternativa viável.
Conforme a tecnologia avança, não é difícil imaginar que os carregadores sem fio das próximas gerações consigam carregar os smartphones até mesmo à distância – como de um quarto até a sala, por exemplo. Podemos também vislumbrar fortes investimentos e desenvolvimento da tecnologia para carros elétricos de pequeno e grande porte.