Sạc không dây là gì và hoạt động như thế nào?

Công nghệ sạc không dây đã tồn tại hơn 100 năm nhưng việc đưa nó vào các thiết bị như dòng iPhone mới của Apple đã mang lại cho nó một sức sống mới. Đây là cách nó hoạt động và tại sao nó có thể sớm xuất hiện trong mọi thứ, từ nhà cửa đến robot.

Lucas Mearian

Sạc không dây đã xuất hiện từ cuối thế kỷ 19, khi nhà tiên phong về điện Nikola Tesla trình diễn khả năng ghép cộng hưởng từ – khả năng truyền điện qua không khí bằng cách tạo ra từ trường giữa hai mạch, một máy phát và một máy thu.

Nhưng trong khoảng 100 năm, nó là một công nghệ không có nhiều ứng dụng thực tế, có lẽ ngoại trừ một số mẫu bàn chải đánh răng điện.

Ngày nay, có gần nửa tá công nghệ sạc không dây đang được sử dụng, tất cả đều nhằm mục đích cắt cáp cho mọi thứ, từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến thiết bị nhà bếp và ô tô. 

Sạc không dây đang xâm nhập vào các ngành công nghiệp chăm sóc sức khỏe, ô tô và sản xuất vì nó hứa hẹn tăng tính di động và những tiến bộ có thể cho phép các thiết bị Internet vạn vật (IoT) nhỏ có thể lấy nguồn điện cách xa bộ sạc nhiều feet.

Các công nghệ không dây phổ biến nhất hiện đang được sử dụng dựa vào trường điện từ giữa hai cuộn dây đồng, giúp hạn chế đáng kể khoảng cách giữa thiết bị và đế sạc. Đó là kiểu sạc mà Apple đã tích hợp vào iPhone 8 và iPhone X.

Cách sạc không dây hoạt động

Nói rộng ra, có ba loại sạc không dây, theo David Green, giám đốc nghiên cứu của IHS Markit. Có những miếng sạc sử dụng phương pháp sạc điện từ cảm ứng hoặc không bức xạ được kết hợp chặt chẽ; bát sạc hoặc bộ sạc loại xuyên bề mặt sử dụng bộ sạc cộng hưởng điện từ ghép nối lỏng lẻo hoặc bức xạ có thể truyền điện tích vài cm; và sạc không dây tần số vô tuyến (RF) tách rời cho phép khả năng sạc nhỏ giọt ở khoảng cách nhiều feet.

Cả hai loại sạc cộng hưởng cảm ứng ghép chặt và sạc cộng hưởng ghép lỏng đều hoạt động theo cùng một nguyên lý vật lý: từ trường biến đổi theo thời gian tạo ra dòng điện trong một vòng dây kín.

Nó hoạt động như thế này: Một ăng-ten vòng từ (cuộn dây đồng) được sử dụng để tạo ra một từ trường dao động, có thể tạo ra dòng điện trong một hoặc nhiều ăng-ten thu. Nếu thêm điện dung thích hợp để các vòng cộng hưởng ở cùng tần số thì lượng dòng điện cảm ứng trong máy thu sẽ tăng lên. Đây là hiện tượng tích điện cảm ứng cộng hưởng hoặc cộng hưởng từ; nó cho phép truyền tải điện ở khoảng cách xa hơn giữa máy phát và máy thu và tăng hiệu quả. Kích thước cuộn dây cũng ảnh hưởng đến khoảng cách truyền tải điện. Cuộn dây càng lớn hoặc càng có nhiều cuộn dây thì khoảng cách mà điện tích có thể di chuyển càng lớn. 

Ví dụ, trong trường hợp miếng sạc không dây của điện thoại thông minh, cuộn dây đồng chỉ có đường kính vài inch, hạn chế nghiêm trọng khoảng cách mà năng lượng có thể truyền đi một cách hiệu quả.

Nhưng khi cuộn dây lớn hơn, nhiều năng lượng hơn có thể được truyền không dây. Đó là chiến thuật mà WiTricity, một công ty được thành lập từ nghiên cứu tại MIT cách đây một thập kỷ, đã đi tiên phong. Nó cấp phép cho công nghệ cộng hưởng kết hợp lỏng lẻo cho mọi thứ, từ ô tô, tua-bin gió cho đến robot.

Năm 2007, giáo sư vật lý Marin Soljačić của MIT đã chứng minh rằng ông có thể truyền điện ở khoảng cách hai mét; vào thời điểm đó, việc truyền tải điện chỉ đạt hiệu suất 40% ở khoảng cách đó, nghĩa là 60% điện năng bị mất trong quá trình dịch chuyển. Soljačić thành lập WiTricity vào cuối năm đó để thương mại hóa công nghệ này và hiệu suất truyền tải điện của nó đã tăng lên rất nhiều kể từ đó.

Trong hệ thống sạc ô tô của WiTricity, các cuộn dây đồng lớn – đường kính trên 25 cm đối với bộ thu – cho phép truyền điện hiệu quả trong khoảng cách lên tới 25 cm. Theo Morris Kesler, CTO của WiTricity, việc sử dụng cộng hưởng cho phép truyền tải mức năng lượng cao (lên tới 11kW) và đạt hiệu suất cao (hơn 92% từ đầu đến cuối). WiTricity cũng bổ sung các tụ điện vào vòng dẫn điện, giúp tăng lượng năng lượng có thể thu được và sử dụng để sạc pin.

Hệ thống này không chỉ dành cho ô tô: Năm ngoái, nhà sản xuất robot Daihen Corp. có trụ sở tại Nhật Bản đã bắt đầu vận chuyển hệ thống truyền tải điện không dây dựa trên công nghệ của WiTricity dành cho các phương tiện dẫn đường tự động (AGV). AGV được trang bị hệ thống sạc không dây D-Broad của Daihen có thể chỉ cần kéo đến khu vực sạc để cấp nguồn và sau đó thực hiện nhiệm vụ tại kho của mình.

Mặc dù sạc từ xa có tiềm năng lớn nhưng bộ mặt công khai của sạc không dây cho đến nay vẫn chỉ là các miếng sạc.

“Xét về tiến độ và mức độ sẵn sàng của ngành, các miếng sạc đã được vận chuyển với số lượng lớn kể từ năm 2015; đế sạc/loại xuyên bề mặt thực sự chỉ mới ra mắt trong năm nay; và việc sạc xuyên phòng có lẽ vẫn còn ít nhất một năm nữa mới đạt được mức sạc cao cấp thương mại. thực tế về khối lượng–- mặc dù các sản phẩm Energous mới hiện cho thấy phương pháp này hoạt động trong phạm vi rất ngắn, chẳng hạn như vài cm,” Green nói.

Chỉ hơn 200 triệu thiết bị hỗ trợ sạc không dây được xuất xưởng trong năm 2016, hầu hết đều sử dụng một số dạng thiết kế kiểu cảm ứng (bàn sạc).

Vào tháng 9, Apple cuối cùng đã chọn một phe sau khi tụt hậu so với các nhà sản xuất thiết bị cầm tay khác trong nhiều năm bằng cách áp dụng tiêu chuẩn Qi của WPC, tiêu chuẩn mà Samsung và các nhà sản xuất điện thoại thông minh Android khác đã sử dụng trong ít nhất hai năm.

Loại bộ sạc không dây dành cho thiết bị di động đầu tiên đã xuất hiện cách đây khoảng sáu năm; họ đã sử dụng phương pháp sạc kết hợp chặt chẽ hoặc cảm ứng, yêu cầu người dùng đặt điện thoại thông minh vào một vị trí chính xác trên tấm đệm để sạc.

Benjamin Freas, nhà phân tích chính của Navigant Research, cho biết: “Trong suy nghĩ của tôi, việc sắp xếp chính xác để sạc sẽ không giúp bạn tiết kiệm nhiều công sức chỉ bằng việc cắm điện”.

Freas cho biết, trong khi những người sử dụng sớm và những người đam mê công nghệ đã quan tâm đến sạc cảm ứng thì những người khác thì không.

Vào tháng 9 năm 2012, Nokia 920 đã trở thành điện thoại thông minh thương mại đầu tiên cung cấp khả năng sạc không dây tích hợp dựa trên thông số kỹ thuật Qi.

Cuộc chiến tiêu chuẩn sạc không dây

Trong vài năm, có ba nhóm tiêu chuẩn sạc không dây cạnh tranh tập trung vào các thông số kỹ thuật sạc cảm ứng và cộng hưởng: Liên minh Năng lượng Không dây (A4WP), Liên minh Các vấn đề Năng lượng (PMA) và Hiệp hội Năng lượng Không dây (WPC). Danh sách 296 thành viên sau này  bao gồm Apple, Google, Verizon và một số nhà sản xuất điện tử thực sự.

WPC đã tạo ra tiêu chuẩn sạc không dây phổ biến nhất – Qi (phát âm là “chee”) – cho phép sạc cảm ứng hoặc sạc kiểu miếng đệm và sạc cảm ứng cộng hưởng điện từ ở khoảng cách ngắn (1,5cm trở xuống). Chuẩn Qi đang được Apple sử dụng.

PMA và thông số kỹ thuật sạc cảm ứng Powermat của nó đã đạt được thành công khi thử nghiệm công nghệ sạc không dây tại các quán cà phê và sân bay. Ví dụ, Starbucks  đã bắt đầu tung ra các miếng sạc không dây  vào năm 2014.

Với các tiêu chuẩn cạnh tranh, việc hỗ trợ cho thiết bị di động vẫn còn rời rạc, trong đó hầu hết các thiết bị di động đều cần hộp đựng thích ứng để kích hoạt tính năng sạc không dây.

Vào năm 2015, A4WP và PMA đã quyết định liên kết với nhau để thành lập Liên minh AirFuel , hiện có 110 thành viên, bao gồm Dell, Duracell, Samsung và Qualcomm.

Là một phần của Liên minh AirFuel, Duracell Powermat tuyên bố họ có hơn 1.500 điểm sạc ở Mỹ và thông qua đối tác PowerKiss của Powermat , 1.000 điểm sạc tại các sân bay, khách sạn và quán cà phê ở Châu Âu. AirFuel cũng đã công bố tính năng sạc không dây tại một số nhà hàng McDonald’s. Theo Freas, đó là một cách sạc không dây có thể được áp dụng rộng rãi hơn.

AirFuel tập trung vào cộng hưởng điện từ và RF

AirFuel đã tập trung vào hai công nghệ sạc: cộng hưởng điện từ và tần số vô tuyến, mang lại khả năng di chuyển xung quanh một không gian mà vẫn sạc được thiết bị di động của bạn.

“Chúng tôi nhận thấy các chỉ số thị trường rõ ràng rằng cộng hưởng và RF là lựa chọn phù hợp. Cả hai công nghệ đều mang lại những lợi thế khác biệt về tự do không gian, dễ sử dụng và dễ lắp đặt – những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra giá trị thị trường và sự hài lòng của khách hàng,” cho biết Người phát ngôn của AirFuel Sharen Santoski. “Và chúng tôi tin rằng cộng hưởng là công nghệ tốt nhất cho phép triển khai cơ sở hạ tầng công cộng rộng rãi trong thời gian tới.”

Do đó, Santoski cho biết, ngày càng nhiều quán cà phê, nhà hàng và sân bay đã triển khai các trạm sạc không dây dựa trên cộng hưởng. “Đài Loan đang đầu tư mạnh mẽ, Trung Quốc cũng vậy”, Santoski nói.

AirFuel gần đây đã công bố một dự án với Tàu điện ngầm sân bay Đào Viên, nơi sẽ đưa công nghệ sạc cộng hưởng vào các chuyến tàu và nhà ga của mình. Và nhà sản xuất đồ nội thất Order Furniture đã tạo ra một dòng đồ nội thất mới hỗ trợ Cộng hưởng.

Freas nói: “Nếu ở mọi nhà hàng và quán cà phê đều có nó, thì mọi người sẽ có nhiều khả năng sử dụng nó hơn và nhận được một miếng đệm để sạc tại nhà”.

Freas cho biết, hầu hết các dự án này vẫn chỉ là chương trình thí điểm, đồng thời cho biết thêm rằng người tiêu dùng và doanh nghiệp ít muốn sạc được kết nối chặt chẽ hơn và có nhiều khả năng lựa chọn sạc cộng hưởng được kết nối lỏng lẻo hơn. Đó là vì sạc kết hợp lỏng lẻo mang lại nhiều tự do về không gian hơn – khả năng đơn giản là thả điện thoại, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay xuống máy tính để bàn và sạc pin.

WiTricity và sạc không dây trên ô tô

Vào tháng 7, Dell đã phát hành một máy tính xách tay Latitude tích hợp tính năng sạc không dây cộng hưởng từ WiTricity, một công ty có trụ sở tại Watertown, Mass., cấp phép cho công nghệ ban đầu được phát triển tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Bộ sạc không dây của Dell cung cấp công suất sạc lên tới 30W, do đó, máy tính xách tay Latitude sẽ sạc với tốc độ tương tự như khi được cắm vào ổ cắm trên tường.

Nhưng trọng tâm chính của WiTricity là ngành công nghiệp ô tô. Theo Giám đốc điều hành WiTricity, Alex Gruzen, công ty này là một phần của Liên minh AirFuel, dự kiến ​​một số nhà sản xuất ô tô điện sẽ công bố tính năng sạc không dây cho xe của họ.

Công nghệ cộng hưởng điện từ của công ty cho phép truyền năng lượng ở khoảng cách lên tới khoảng 9 inch tính từ đế sạc. Điều đó sẽ cho phép ô tô điện được sạc chỉ bằng cách đỗ trên một bệ sạc lớn.

Ví dụ,  Mercedes-Benz năm nay sẽ tung ra mẫu sedan plug-in hybrid S550e có khả năng sử dụng công nghệ của WiTricity; S550e có thể chỉ cần đậu trên một tấm đệm và chúng bắt đầu sạc thậm chí còn hiệu quả hơn so với khi nó được cắm vào ổ điện.

Kesler cho biết ứng dụng xe điện được thiết kế riêng để sạc cộng hưởng điện từ. Đó là vì xe không cần cáp sạc và đế sạc không dây cung cấp điện hiệu quả hơn cáp. (Kesler cho biết, hệ thống sạc có dây sử dụng thiết bị điện tử để chuyển đổi AC thành DC và điều chỉnh dòng điện, làm giảm hiệu suất xuống khoảng 86%.)

Kesler cho biết: “Việc sạc không dây của chúng tôi có thể đạt hiệu suất 93% từ đầu đến cuối – từ trên tường đến những gì được đưa vào pin”.

Sạc không dây qua khoảng cách

Trong tháng này, Apple đã khiến một số nhà quan sát trong ngành ngạc nhiên  khi mua PowerByProxi , một công ty có trụ sở tại New Zealand đang phát triển công nghệ sạc cộng hưởng kết nối lỏng lẻo cũng dựa trên thông số kỹ thuật Qi.

PowerbyProxi được thành lập vào năm 2007 bởi doanh nhân Fady Mishriki với tư cách là một công ty con của Đại học Auckland. PowerByProxi đã trưng bày các hộp và bát sạc để có thể đặt và sạc nhiều thiết bị cùng một lúc.

Công ty có trụ sở tại Aukland bắt đầu bán các hệ thống quy mô lớn cho các ngành xây dựng, viễn thông, quốc phòng và nông nghiệp. Một sản phẩm như vậy là hệ thống điều khiển không dây cho tua-bin gió.

PowerByProxi, thành viên Ban chỉ đạo của WPC, cũng đã thu nhỏ công nghệ của mình và đặt nó vào pin sạc AA, loại bỏ nhu cầu nhúng công nghệ này trực tiếp vào thiết bị. Công nghệ không dây chiếm khoảng 10% chiều cao của pin AA.

Apple có thể sử dụng công nghệ của PowerByProxi để mở rộng việc sử dụng sạc không dây ngoài điện thoại thông minh, chẳng hạn như sử dụng nó để sạc điều khiển từ xa của TV, thiết bị ngoại vi máy tính hoặc bất kỳ thiết bị nào cần pin.

Mặc dù ứng dụng rõ ràng nhất của công nghệ sạc không dây là trong các miếng sạc thiết bị di động, nhưng công nghệ này cũng đang xâm nhập vào mọi thứ, từ robot kho hàng đến các thiết bị IoT nhỏ mà nếu không sẽ cần phải nối dây hoặc cấp nguồn bằng pin có thể thay thế.

Cả Ossia và Energous đều đã chứng minh tính năng sạc không dây vượt quá 15 feet. Bộ sạc của Ossia có thể gửi khoảng hai watt lên đến vài feet, nhưng lượng điện năng đó giảm xuống nhanh chóng khi khoảng cách tăng lên. Tuy nhiên, ngay cả ở độ cao 30 feet, lượng điện năng có thể truyền đi vẫn “có ý nghĩa”, theo Giám đốc điều hành Ossia Mario Obeidat, ám chỉ đến các thiết bị cấp nguồn nhỏ giọt để duy trì điện tích của chúng.