Qi: Alles over de techniek achter draadloos opladen
Elke dag je smartphone of tablet op de netlader aansluiten? Het is veel makkelijker om je mobiele apparaat gewoon naast je op een oplaadmat te leggen. Ook Apple zet nu de schouders eronder en steunt de populairste Qi-standaard. Maar hoe werkt het draadloos opladen nu precies en hoe ziet de toekomst eruit?
Qi (spreek uit als ‘chi’) betekent in figuurlijke zin ‘levenskracht’ of ‘energiestroom’. Het is een open standaard van de Wireless Power Consortium voor het draadloos overbrengen van energie. In de eerste versie wordt het principe van inductie toegepast, de latere standaard gebruikt magnetische resonantie. Je komt draadloos opladen vooral tegen in de vorm van een plat laadstation of -mat waarop compatibele apparaten kunnen worden gelegd. Een vergelijkbare techniek wordt (in het groot) al gebruikt voor het opladen van elektrische auto’s.
Draadloos opladen past helemaal in de draadloze toekomst, maar echt nieuw is het niet. Al in de negentiende eeuw werd geëxperimenteerd met de draadloze overdracht van energie. In 1990 introduceerde Oral-B een elektrische tandenborstel die via een speciale houder draadloos werd opgeladen. Tegenwoordig kun je veel smartphones en tablets eveneens draadloos opladen, zoals recente toestellen uit de Samsung Galaxy-lijn.
Andere modellen kun je weer middels een accessoire geschikt maken. Laadstations zijn breed beschikbaar van de smartphonefabrikanten zelf of partijen als Belkin en Mophie. IKEA lanceerde in 2015 een reeks producten voor draadloos opladen, waaronder laadstations en bureaulampen of meubels met geïntegreerde lader.
Bovendien is draadloos opladen niet meer beperkt tot de wereld van Android: Apple sluit zich aan bij de Qi-standaard en gaf onlangs een sneak preview van AirPower, een accessoire dat in 2018 op de markt komt. Hiermee kunnen drie apparaten tegelijkertijd worden opgeladen.
Hoe werkt Qi?
De eerste Qi-standaarden (1.0 en 1.1) werken volgens het principe inductie, het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Als stroom door een draad loopt, wordt een magnetisch veld opgewekt. En andersom werkt dat ook, ontdekte de Britse natuurkundige Michael Faraday al in 1831. Er kan stroom worden opgewekt door een magneet snel ten opzichte van een spoel te bewegen, zoals in een fietsdynamo. Zodoende kan energie worden overgebracht door twee spoelen bij elkaar te houden.
In een transformator wordt dit toegepast om een wisselspanning omhoog of omlaag te brengen. Omdat het magnetische veld niet wordt gehinderd door lucht, glas of een laag kunststof, kan het ook door de behuizing van je smartphone of tablet heen. Maar niet door metaal, zoals je bij koken op inductie merkt: het snel wisselende magnetisch veld zorgt hier voor wrijving in het metaal in de bodem van de pan, hetgeen resulteert in warmte.
©PXimport
Het laadstation bevat een spoel waarin een magnetisch veld wordt opgewekt. Een kleine spoel in een smartphone of tablet absorbeert het veld en gebruikt de opgewekte energie om de accu te vullen. Er wordt tegelijkertijd informatie uitgewisseld, zodat bijvoorbeeld de ontvanger meer of minder vermogen kan vragen. De overdracht is minder efficiënt dan met een kabel en het energieverlies is merkbaar: de smartphone wordt iets warmer.
Bovendien kan, net als bij koken op inductie, een metalen object in de buurt van het laadstation sterk verhit raken. Daar wordt overigens rekening mee gehouden: een laadstation herkent metalen objecten en past het vermogen erop aan. In Qi 1.1 is die detectie verder verbeterd. Een smartphone met metalen behuizing blijft echter problematisch. Door de korte afstand tussen laadstation en apparaat (ongeveer 5 mm) kun je bovendien geen dikke hoesjes gebruiken. Laden gaat daarnaast minder snel dan met moderne snelle laders. Het vermogen van 5 watt kun je vergelijken met ‘gewone’ netladers.
Magnetische resonantie
Naast het inductieladen met twee magnetische velden wordt steeds vaker magnetische resonantie gebruikt. Ook in versie 1.2 van de Qi-standaard zien we die technologie terug. Resonantie werkt volgens hetzelfde principe als inductie, maar met veel hogere frequenties. Bij Qi liggen die tussen 100 en 200 kHz, maar er zijn ook standaarden die met veel hogere frequenties werken (rond 7 MHz). De frequentie wordt middels het communicatiekanaal afgestemd tussen zender en ontvanger. De standaard is minder efficiënt, maar kan wel meer vermogen (15 watt) over grotere afstand (3 tot 4,5 cm) overbrengen.
Die 4,5 cm wordt gehaald als de ontvanger specifiek voor de nieuwe standaard is ontworpen. Verder kunnen meerdere apparaten tegelijkertijd worden opgeladen met hetzelfde laadstation. De hogere frequenties geven minder risico op warmteontwikkeling in metalen, zoals muntstukken.
AirFuel Alliance en A4WP
Naast het Wireless Power Consortium Qi zien we ook andere samenwerkingsverbanden. De belangrijkste is de AirFuel Alliance, een samensmelting van de Power Matters Alliance (PMA) en de Alliance for Wireless Power (A4WP). Maar er zijn ook verschillende kleinere groepen en bedrijven die hun soms unieke technologieën proberen te promoten, zoals WiTricity en Energous (WattUp). Bij alle initiatieven speelt magnetische resonantie een grote rol.
De startup Pi komt met een lader die magnetische resonantie over grotere afstanden (tot zo’n 30 cm) mogelijk maakt door het magnetische veld om te vormen en van hoek te veranderen. Ook zien we in de auto-industrie initiatieven om grotere vermogens over grotere afstanden over te brengen, wat nieuwe toepassingen voor het opladen van elektrische auto’s mogelijk maakt.
Het is vooral belangrijk dat er een universele, globaal geaccepteerde standaard komt – een beetje zoals wifi voor draadloze netwerken. Dat Apple zich (ook) sterk maakt voor Qi, is een belangrijke stap in die richting. Er zit bovendien nog rek in de huidige Qi 1.2-standaard: volgens het instituut kan 2.000 watt worden overgebracht, waardoor zelfs keukenapparatuur draadloos zou kunnen werken.
