Charger nos appareils : Passer du filaire à l’induction magnétique

LIZY Corentin | Étudiant B1 CampusID

 

Depuis l’arrivée des nouvelles technologies, nous utilisons des câbles pour l’alimentation des appareils. Plus une configuration est grosse plus nous avons besoin de câbles par exemple pour les ordinateurs fixes. Les entreprises travaillent donc pour se déplacer lentement vers une aire de moins en moins filaire. Nous allons nous intéresser ici à la recharge de téléphone portable par induction.

 

 

 

 

 

Sommaire

Les bases

Comment fonctionne une batterie et à quoi sert-elle ?

Histoire et principe de fonctionnement du standard Qi

Deuxième titre

Points positifs

Points négatifs

Que nous réserve l’avenir de cette technologie ?

Tableau des figures

Sources

 

 

 

Les bases

Comment fonctionne une batterie et à quoi sert-elle ?

 

Une batterie est un dispositif permettant de stocker de l’énergie électrique sous une forme chimique, puis de la libérer sous forme de courant continu de manière contrôlée.

Tous les types de batteries contiennent une électrode positive et une électrode négative immergées dans un électrolyte, le tout étant situé dans un conteneur.

 

Figure 1

 

 

Dans les téléphones et actuellement dans le marché on trouve majoritairement des batteries secondaires, c’est-à-dire qu’elles peuvent être déchargé puis rechargé par la suite. Les batteries primaires peuvent être déchargées une seule fois et doivent ensuite être mises au rebut. Elles incluent, par exemple, certains types de batteries pour les lampes-torches et les radios.

Les composants des électrodes peuvent varier. Il existe les batteries plomb acide, ou encore les batteries Li-ion que l’on voit de plus en plus composées d’une anode en carbone et d’une cathode en oxyde de cobalt Lithium.

 

Figure 2

 

Lorsqu’on branche la batterie sur un appareil, cela entraîne un déplacement des électrons à cause de la différence de potentiel. Les électrons passent de l’anode à la cathode par le circuit externe, par exemple les différents composants d’un smartphone qui sont alors alimentés. De leur côté, les ions de Lithium chargés positivement quittent l’anode pour retourner à la cathode car ils sont attirés par les charges négatives des électrons.

L’opération de charge consiste à faire repartir les électrons dans le sens inverse, c’est-à-dire de la cathode vers l’anode. On utilise pour cela un chargeur extérieur qui est connecté à la batterie. En conséquence, les ions de Lithium passent de la cathode vers l’anode pour équilibrer la charge électrique. Quand tous les ions sont passés, la batterie est complètement chargée.

Figure 3

 

Pendant la durée de vie de la batterie, les ions de Lithium vont donc faire des allers-retours dans l’électrolyte, entre l’anode et la cathode, comme le montre la vidéo ci-dessous.

Depuis presque toujours nous rechargeons toutes les batteries à l’aide de câbles et d’outils filaire plus généralement, cependant depuis 2008 le standard Qi est mis en place et nous permet petit à petit de nous diriger vers de nouvelles techniques de recharge et notamment de la recharge à distance.

 

Histoire et principe de fonctionnement du standard Qi

 

Au cours de cette partie, nous allons étudier le standard Qi (et tout ce qui l’entoure), qui est le pilier de la recharge sans fil.

 

Figure 4

Le Qi est un standard développé par Wireless Power Consortium pour la transition d’énergie sans fil. Il accepte une distance de 40mm entre le support de transmission (Chargeur) et le récepteur compatible qui se situe dans un appareil mobile

 

    Figure 5

 

Figure 6

 

La recharge via le standard Qi s’effectue par induction magnétique qui elle-même est en fait un flux de champ magnétique variable dans un conducteur électrique. Le champ électrique est le champ vectoriel crée par des particules électriquement chargées. Plus précisément, en présence d'une particule chargée les propriétés locales de l'espace sont modifiées, ce que traduit justement la notion de champ. Si une autre charge se trouve dans ce champ, elle subira l'action de la force électrique exercée à distance par la particule. Toute ces découvertes remontent aux travaux de Charles-Augustin Coulomb vers 1785.

 Figure 7

Figure 8

 

Pour résumé, les variations temporelles du champ magnétique conduisent à une induction magnétique ce qui entraine un courant entre récepteur et émetteur. Finalement, on retrouve exactement le même principe dans l’induction et la recharge filaire.

 

Le tout début de la technologie Qi vient en fait des travaux de Nikola Tesla, inventeur et ingénieur américain du XIX/XXème siècle. Durant ses recherches il s’intéresse à la transmission d’énergie sans fil et conçoit son propre transmetteur, la Tour de Tesla

 

Figure 9

 

Tesla estime que les courants électriques se comportent comme un fluide incompressible et que la Terre est parcourue par de tels courants.

Les constructions de cette tour ont commencé au début du XXème siècle. Elle était divisée en 4 parties.

La tour : elle est conçue autour de deux paramètre principaux, la quantité d’énergie que peut contenir l’électrode haut de la tour et la longueur des ondes que doit émettre dans le sol.

La coupole : Utile pour empêcher la production d’arcs électriques et accroître encore davantage sa capacitance.

Partie souterraine : la tour n'est que la partie émergée de l'iceberg. Une composante essentielle de la tour est la "prise de terre", qui doit être la plus efficace possible. Plus de la moitié du budget total de 150 000 $ a été utilisé pour construire les infrastructures souterraines de la tour

Le Transmitter : Il aurait été installé à la base de la tour mais par manque de budget, nous n’avons aucune photographie ni preuve qu’il a été installé.

En effet la tour fonctionnelle ne verra jamais le jour.

 

Figure 10

 

Le projet est alors abandonné en 1917, cependant aujourd’hui encore les scientifiques russes veulent utiliser les travaux de Tesla pour transmettre de l’énergie des stations solaires vers les zones peu ensoleillées.

 

Alors que les techniques sans fil se développent au début du XXème siècle, des recherches sont effectuées sur des méthodes de transmission alternatives. Le but était de générer un effet localement et de le détecter à distance. Des tests sont effectués sur des charges plus conséquentes, remplaçant les récepteurs faiblement résistifs utilisés jusqu'alors pour détecter un signal reçu. Au St. Louis World's Fair (1904), un prix est offert pour l'alimentation à une distance de 30 mètres d'un moteur de 0,1 cheval (75 W)

 

Figure 11

 

Ce n’est qu’en 2008 que le Wireless Power Consortium regroupe des entreprises asiatiques, européennes et américaines dans différents secteurs de l'industrie, et a pour objectif de créer un standard mondial pour la transmission d'énergie sans fil.

Il a officiellement publié la norme d'interface Qi et les spécifications relatives à la consommation réduite en août 2010. En octobre, Nokia a rejoint le WPC.  Huawei et Visteon sont devenus membres du WPC en novembre 2011.  En mai 2011, le consortium a annoncé la spécification de faible consommation en mai 2011 au salon de l'auto de Shanghai et a commencé à étendre le Qi aux spécifications de puissance moyenne.

 

Figure 12

 

Deuxième titre

 

Points positifs

 

Il est en effet possible de charger n’importe quel smartphone sans fil grâce à la technologie QI. Que vous ayez un Apple, Huawei, Samsung ou encore une autre marque, si votre smartphone est compatible avec cette technologie vous avez uniquement besoin d’une station de charge ce qui réduit drastiquement le nombre de câble à la maison. En effet il est possible de déposer plusieurs téléphones sur une même station.

Figure 13

 

Il n’y a donc plus besoins de chercher l’encoche qui permettait d’insérer le chargeur d’autant plus qu’il fallait faire attention au sens quand on possédait un chargeur USB 2.0.

Figure 14

 

Tout ça en passant sur les problèmes avec les câbles tordus, la longueur des câbles qui posait parfois des problèmes etc…

La technologie apporte donc un grand confort dans notre quotidien et peut apporter des solutions à certains problèmes cités précédemment.

 

Points négatifs

 

La charge sans fil a tendance à faire un peu plus chauffer le téléphone que par recharge filaire. Il y a donc un inconfort lors de la reprise du téléphone.

Figure 15

Sachant que les chargeurs actuels ne délivrent que 5W de puissance, votre téléphone sera plus long à charger et il faudra attendre plus de temps

 

Que nous réserve l’avenir de cette technologie ?

 

Cette technologie peut nous réserver de grandes choses dans le futur. Même si beaucoup de ces points sont basés sur des spéculations.

La puissance de charge augmentera et pourra peut-être dépasser le filaire donc notre téléphone se rechargera beaucoup plus vite sans fil.

La portée de charge qui est aujourd’hui en mm pourra être converti en mètre et à peine on rentrera dans une pièce, notre téléphone se mettra en charge instantanément.

Aujourd’hui cette technologie est limitée au téléphone majoritairement mais pourra certainement évoluer vers de plus grand appareil. Les ordinateurs portables dans un premier temps puis tous les appareils technologiques possédant une batterie. Elle pourra peut-être alimenter une configuration complète ou même recharger les voitures électriques dans le futur !

 

Cependant toute ces évolutions peuvent poser un problème éthique quant à tous les problèmes environnementaux et plus généraux que nous rencontrons actuellement.

 

La question est légitime : Pourquoi toujours aller plus loin dans des technologies plus puissantes qui demandent plus de ressource quand brancher un câble pour recharger ses appareils est amplement suffisant et fait sûrement « moins » mal à notre planète.

 

Figure 16

 

Tableau des figures

 

Figure 1 : Schéma batterie en activité

Figure 2 : Schéma d’une batterie Li-ion

Figure 3 : Schéma batterie en charge

Figure 4 : Recharge sans fil

Figure 5 : Station de Recharge

Figure 6 : Visualisation émetteur/récepteur

Figure 7 : Schéma champ électrique

Figure 8 : Charles augustin Coulomb

Figure 9 : Tour de Tesla

Figure 10 : Schéma de la tour de Tesla

Figure 11 : Exposition universelle 1904

Figure 12 : Logo Wireless power Consortium

Figure 13 : Stations de recharge

Figure 14 : Encoche Samsung Galaxy S5

Figure 15 : Téléphone chaud

Figure 16 : N’abusons pas de la technologie pour préserver l’environnement

 

 

Sources

 

 

https://selectra.info/telecom/actualites/acteurs/chargeurs-fil-comment-ca-fonctionne-quels-mobiles

https://fr.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard)

https://fr.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla

https://fr.wikipedia.org/wiki/Tour_de_Tesla

https://fr.wikipedia.org/wiki/Transmission_d%27énergie_sans_fil

https://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectrique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_magn%C3%A9tique#Terminologie

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