Présentation
Alors que le Palm Pre sous WebOS supportait déjà la recharge sans fil tout comme la tablette Touchpad grâce au socle de recharge Touchstone, de nombreux smartphones reprennent le flambeau de la recharge inductive. Les constructeurs s'en donnent à coeur joie tentant de différencier leurs smartphones et d'apporter une nouvelle expérience utilisateur.
Nokia propose des Lumia qui sont soit directement compatibles avec la technologie Qi (Lumia 920) ou d'autres modèles qui nécessitent l'ajout d'une coque (Lumia 820 et 925). Samsung s'est également tourné vers le Qi pour le Galaxy S3 qui, moyennant une coque se substituant à la coque d'origine, permet de recharger sa batterie avec un socle Qi. Le Galaxy S4 procède de la même manière.
LG intègre également cette fonctionnalité dans certains de ses smartphones. Le Nexus 4 de Google (sur une base de LG Optimus G) hérite ainsi de la recharge inductive suivant la norme Qi.
Le principe relativement simple nécessite toutefois des spécifications bien précises afin d'assurer une interopérabilité des différents accessoires avec tous les smartphones dits "Qi" (prononcez "chi").
Mais d'autres alliances regroupant différents constructeurs tentent également de percer avec des technologies assez proches. Une partie décrira les différentes normes qui s'opposent.
Mais avant cela, tentons de voir ce que la recharge sans fil peut apporter à l'utilisateur.
L'intérêt
Alimenter un appareil sans connexion filaire semble être le graal de nombreux constructeurs. Les centres de R & D planchent ainsi sur des systèmes capables d'alimenter divers appareils de notre quotidien avec un rendement qui soit le plus élevé possible. Des téléviseurs peuvent ainsi être alimentés sans câble.
Mais c'est dans le domaine des terminaux mobiles que les applications sont les plus nombreuses.
Palm et HP ensuite utilisaient un système de recharge par induction propriétaire. Puis, le Wireless Power Consortium a normalisé la technologie Qi avec l'aide de nombreux constructeurs.
En pratique, on pose son smartphone sur un socle alimenté par un adaptateur ac/dc prévu à cet effet. Deux bobines (une dans le socle Qi et l'autre au dos du smartphone) se retrouvent ainsi placées l'une en face de l'autre et un couplage s'exerce alors entre elles avec échange d'énergie.
D'aucuns peuvent se demander quel est le réel intérêt d'un tel système. Dans la pratique, on réalise que poser son téléphone négligemment sur un socle Qi est plus pratique que de sortir un chargeur et de le brancher à la microUSB.
L'utilisateur peut reprendre au passage son téléphone et le reposer ensuite et ainsi de suite. Avec plusieurs socles disposés çà et là à son domicile, la recharge de son smartphone se fait presque "inconsciemment". On pose son téléphone sur le socle comme on le pose généralement sur un meuble chez soi.
De plus, la recharge sans fil permet de ne plus avoir à utiliser le connecteur microUSB du smartphone, ce qui évite de l'abîmer.
On peut aussi facilement mettre en recharge son terminal mobile dans l'obscurité (les chargeurs sont dotés de LED qui permettent de les repérer dans la nuit), chose peu triviale avec un chargeur microUSB.
De surcroît, la norme Qi impose que les socles Qi ne consomment pas lorsque le socle n'est pas utilisé.
On pourra ajouter qu'il devient plus aisé de prendre un appel lorsque le smartphone est posé sur un socle Qi n'étant alors pas embarrassé par un câble microUSB.
Intégrer des systèmes de recharge sans fil dans les lieux publics (aéroport, restaurants…) est également facilité avec de tels systèmes. La chaîne Starbucks Coffee l'a bien compris et intègre ces systèmes dans ses cafés situés dans la Silicon Valley.
Les constructeurs continuent par ailleurs de faire progresser les technologies de recharge sans fil afin de pouvoir les intégrer dans des meubles, d'augmenter leur rendement énergétique et de diminuer la déperdition énergétique par effet Joule. Intel désirerait également implémenter un système de recharge par induction dans les ultrabooks. Placé à côté de votre ordinateur, votre smartphone se rechargerait ainsi automatiquement.
Mais si le Qi est la norme la plus populaire actuellement et la seule implémentée dans des produits commercialisés, les choses pourraient bien évoluer dans les années à venir. Différents consortiums tentent en effet d'imposer des normes rivales qui mettent en oeuvre des technologies quelque peu différentes.
Différentes technologies
On trouve d'un côté la technologie dite de couplage par induction et de l'autre côté la technologie par résonance magnétique. Ce sont les deux termes employés par les différents consortiums afin de tenter de les différencier.
Deux termes qui doivent également vous ramener à vos cours de lycée sur le couplage électromagnétique, celui qui est notamment mis en oeuvre dans un transformateur. Dans ce dernier, deux bobines pourtant isolées l'une de l'autre se transmettent de l'énergie par induction qui prend naissance grâce au couplage électromagnétique. Le couplage inductif est largement utilisé par les industriels avec des applications aussi diverses que variées (moteurs électriques, plaques de cuisson à induction : une seule bobine mise en oeuvre induisant un courant induit dans l'ustensile, alimentation d'une puce RFID...).
On parle de systèmes à champ proche, car les deux bobines doivent se situer à proximité l'une de l'autre.
Dans les deux cas, le système utilise des bobines, des courants AC et des champs magnétiques. Et dans les deux techniques, un courant est induit dans une bobine réceptrice en utilisant les principes de physique de base.
Le principe de base est qu'un courant circulant dans un câble conducteur crée un champ électromagnétique qui s'atténue plus on s'éloigne du câble. Mais si le câble forme une bobine, le champ électromagnétique augmente. Avec un nombre de boucles important, cette bobine peut créer un courant (dit induit) conséquent dans un autre conducteur ou une bobine. Les deux circuits peuvent être adaptés afin de présenter la même fréquence de résonance en jouant sur la valeur de l'inductance et en ajoutant une capacité dans chacun des deux circuits (on parle de circuit LC). De cette manière, le courant induit dans la bobine réceptrice est maximisée. Cela permet d'augmenter la portée de l'induction de plusieurs millimètres à plusieurs centimètres et d'optimiser la transmission d'énergie entre les deux circuits.
Le standard Qi a recours à des bobines présentant des inductances de faibles valeurs afin d'augmenter la fréquence de résonance (cette dernière est inversement proportionnelle à la racine carrée du produit de L par C). Le champ magnétique qui en résulte étant relativement faible, le circuit récepteur doit être placé très près du circuit émetteur, les deux devant se trouver bien en face. Certains systèmes mettent en oeuvre des aimants afin d'aligner les deux bobines (celle du smartphone avec celle du socle Qi). C'est le cas du chargeur Orb de Google qui fonctionne de pair avec le Nexus 4.
Pour pallier à ce problème d'alignement, la norme Qi prévoit toutefois que les constructeurs de socles de recharge peuvent utiliser une matrice de bobines (réalisées dans les différentes couches du circuit imprimé) assurant une plus grande surface de charge sur le socle.
Mais la contrepartie est une consommation accrue du système, toutes les bobines devant être alimentées. La norme Qi prévoit cependant un protocole de communication entre émetteurs et récepteurs afin de limiter la consommation électrique. Ainsi, lorsque l'appareil est entièrement chargé, il transmet un signal au chargeur afin de le placer dans un mode à très faible consommation.
Le système a également tendance à augmenter la température dans la zone du champ magnétique. En effet, une partie de l'énergie électromagnétique va induire un courant dans les métaux qui se trouvent à proximité (notamment les pièces métalliques du smartphone) et ainsi générer de l'échauffement par effet Joule.
La "résonance magnétique" telle qu'elle apparaît notamment dans le standard de l'A4WP (Alliance for Wireless Power) a recours à des bobines présentant des inductances de plus grande valeur. Cela se traduit par un champ électromagnétique plus puissant à même de charger plusieurs appareils simultanément (à partir d'une seule bobine) et de pouvoir les placer à des distances plus grandes. Pour maintenir le rendement, le circuit d'émission est très précisément adapté au circuit récepteur et ce de manière dynamique. La société WiTricity a largement participé au développement de cette technologie.
De surcroît, une telle implémentation ne nécessite pas que les deux bobines soient parfaitement alignées pour fonctionner.
A l'instar du Qi, la norme d'A4WP se caractérise également par une communication entre le chargeur et les appareils à charger, ce qui permet d'optimiser la distribution de la puissance qui va être allouée aux différents récepteurs.
Mais si les différentes techniques reposent sur des implémentations différentes et des astuces qui leurs sont propres, les principes de base restent donc les mêmes.
Toutefois, un système devrait à terme s'imposer. Et c'est plus du côté des alliances et des forces en présence qu'il faut regarder pour voir quel candidat a le plus de chances de l'emporter.
Le standard Qi
La version 1.0 du standard Qi prévoit des puissances pouvant atteindre 5 watts au niveau du transmetteur.
Comme on l'a noté précédemment, le constructeur de socles de charge peut opter pour une implémentation à une seule bobine ou bien pour une matrice de bobines. Mais il peut également concevoir un système avec une bobine pouvant se déplacer.
Alors que la version 1.0 limitait les possibilités quant au design des transmetteurs, la version 1.1 de la norme décrit 12 implémentations possibles pour le transmetteur.
De plus, le problème de surchauffe a été pris en compte grâce à une amélioration de la détection d'un objet métallique situé à proximité du transmetteur. C'est seulement lorsqu'un objet "compatible" avec la recharge a été détecté qu'un mot de 8 bits lui est envoyé pour l'informer du début de la charge. Ce dernier envoie alors un signal pour lui indiquer la puissance de charge nécessaire. Ensuite, durant la charge, le smartphone enverra à intervalles réguliers des informations au système transmetteur de puissance afin qu'il ajuste la puissance émise et qu'il stoppe cette transmission lorsque la batterie est intégralement chargée.
Par ailleurs, les constructeurs peuvent alimenter le socle Qi via un port USB. Cette possibilité est intéressante car elle permet d'utiliser le chargeur avec sortie microUSB fourni avec le smartphone directement pour alimenter le socle Qi. C'est d'ailleurs ainsi que procède Samsung avec son socle Qi sorti en parallèle du Galaxy S4.
Si la norme Qi pour le "low power" prévoit des puissances maximum de 5 watts pour l'émetteur, d'autres spécifications pour du "medium power" tablent sur des puissances pouvant atteindre 120 watts. Dans ce dernier cas, les fréquences sont comprises entre 80 et 300 kHz tandis que pour les socles Qi ("low power") destinés aux terminaux mobiles, les fréquences sont comprises entre 110 et 205 kHz.
Différentes alliances
Si la technologie s'appuie sur un principe fondamental, différents standards existent et visent à assurer une cohérence (et une interopérabilité) à l'écosystème de produits d'un standard donné.
Le plus connu est le standard Qi qui a été standardisé par le Wireless Power Consortium (WPC). Il regroupe plus de 137 membres dans 15 pays différents qui vont des constructeurs de smartphones et/ou d'accessoires aux fabricants de puces en passant par les opérateurs mobiles.
Au CES 2012 déjà, plus de 75 produits et prototypes s'appuyant sur la norme Qi avaient été présentés. Actuellement, plus de 100 produits certifiés Qi sont sur le marché.
Toutefois, une autre alliance semble en mesure d'imposer son standard de recharge sans fil. Il s'agit du rival A4WP (pour Alliance for Wireless Power) dont la norme a été finalisée en début d'année 2013.
Elle peut compter sur le support de Qualcomm, Broadcom, Samsung (qui a pourtant opté jusqu'alors pour le Qi), de Texas Instruments (également membre du WPC) et d'un autre allié de taille depuis peu avec Intel.
En tout, une quarantaine de sociétés sont membres de l'A4WP. Qualcomm leader au sein de cette alliance a pris les devants en mettant au point sa propre technologie respectant le cahier des charges imposé par l'A4WP. La technologie en question se nomme WiPower et Qualcomm tente de l'imposer en livrant des kits d’évaluation à ses clients.
Par ailleurs, une autre alliance nommée PMA (pour Power Matters Alliance) entend bien imposer son standard baptisé Power 2.0. Elle regroupe quelques 69 membres.
Difficile d'y voir clair dans cette guerre de tranchée entre alliances d'autant plus que de nombreuses sociétés sont membres de plusieurs d'entre elles.
Quelques notions sur la recharge d'une batterie
La capacité d'une batterie est souvent donnée en Wh ou mAh. Il s'agit d'une indication d'énergie (puissance délivrée/consommée durant une heure) que la batterie peut délivrer avant d'être déchargée.
Elle permet de calculer le temps qu'il faudra pour charger la batterie moyennant la connaissance des caractéristiques du chargeur. Ce dernier peut charger une batterie avec un courant continu donné (I). Cela vaut uniquement pour les chargeurs dits "linéaires" qui fournissent le même courant quelle que soit la tension aux bornes de la batterie.
Mais, on verra que Qualcomm propose des systèmes de charge dits Quick Charge (1.0 et maintenant 2.0) pour les terminaux mobiles intégrant un SoC Snapdragon (objet de la partie suivante).
Il suffit alors de diviser la capacité de la batterie par ce courant et de multiplier le résultat par un facteur k :
P*k/I=temps de charge de la batterie
Le facteur k rend compte de l'énergie qui ne sera pas transférée du chargeur dc à la batterie (pertes par effet Joule et par courant de fuite). A titre d'exemple, si k vaut 1.2 et qu'un courant de 1200 mA sort du chargeur, 1000 mA sont dits "utiles" tandis que les 200 autres mA correspondent à des pertes. Ce facteur permet donc de calculer le rendement du dispositif de charge (100/k).
On ne peut malheureusement pas appliquer ce calcul à la recharge sans fil puisque la charge n'est pas linéaire. En effet, un protocole de communication est établi entre transmetteur (de puissance) et récepteur (mobile en charge) afin d'adapter la puissance de façon continue.
Bien entendu, le rendement des chargeurs sans fil est inférieur à celui des chargeurs filaires. Toutefois, certains chargeurs filaires débitant peu de courant continu mettront plus de temps à charger un même smartphone qu'un socle Qi.
Nous avons testé plusieurs modèles avec différents smartphones afin de les connaître et de juger de l'efficacité des socles Qi.
Quick Charge de Qualcomm
Pourquoi consacrer une partie à un procédé de recharge filaire dans un dossier sur la recharge sans fil ?
Tout simplement parce que la technologie mise au point par Qualcomm permet des temps de charge très courts et vient donc rendre d'autant plus discutable l'utilisation d'un système de recharge sans fil (qui allonge quelque peu le temps de charge).
En juin 2012, Qualcomm a fait l'acquisition de la société Summit Microelectronics qui a développé la technologie Quick Charge.
Dans sa version 1.0, elle permet de recharger un terminal mobile jusqu'à 40% plus rapidement qu'un ancien smartphone ne le permettait. Une recharge qui prendrait 4 heures normalement dure ainsi moins de 3 heures avec le procédé Quick Charge. Le système est implémenté dans un circuit nommé PMIC (Power Management Integrated Circuit).
Plus de 70 terminaux mobiles équipés de SoC Snapdragon bénéficient de cette technologie. Parmi ceux-ci, on peut compter le Galaxy S III, le Lumia 920, le Nexus 4 et plus récemment le Galaxy S4.
Toutefois, un chargeur spécifique tel que celui fourni avec le Galaxy S4 ou le Galaxy Mega est nécessaire, les chargeurs du marché n'assurant qu'une recharge "linéaire". Le chargeur Quick Charge se "signale" en utilisant les pins D+ et D- du câble USB pour transmettre une indication.
Ce procédé adapte alors le courant de charge en fonction de la tension aux bornes de la batterie. Ainsi, lorsque cette dernière est largement déchargée, la tension à ses bornes est plus basse que 5 volts.
Là où les chargeurs classiques continuent à délivrer le même courant, Quick Charge augmente le courant tout en fournissant la même puissance à la batterie, le temps de charge est ainsi notablement réduit.
L'effet de Quick Charge s'estompe ensuite lorsque la batterie est plus chargée et que la tension à ses bornes a atteint 5 volts.
Alors que Quick Charge 1.0 est basé sur la tension de 5 volts de l'USB 1.0 et 2.0, Quick Charge 2.0 pourra mettre en oeuvre des tensions plus élevées. Quick Charge 2 n'arrivera pas avant 2014 et promet des temps de charge diminués de 75%.
Les choses pourraient être ainsi très simples mais les chargeurs livrés avec les smartphones délivrent bien souvent des courants plus élevés que les 475 mA (0.475A) prévus par la norme européenne USB Battery Charging Compliance Rev.1.2.
On trouve ainsi souvent des chargeurs délivrant 1A sous 5 volts. Le temps de charge est d'autant plus court que ce courant est élevé mais, il faut le savoir, la durée de vie des batteries diminue également si le chargeur utilisé débite un courant trop élevé.
Le Quick Charge de Qualcomm est donc très intéressant en optimisant le courant pour diminuer le temps de charge là où les chargeurs classiques adoptent "brutalement" des courants parfois (trop) élevés.
Il nous aura ainsi fallu 2h50 pour charger la batterie de 2600mAh du Galaxy S4 (I9505) avec l'adaptateur secteur Quick Charge fourni avec le smartphone.
Des coques Qi pour certains smartphones
Alors que plusieurs constructeurs ont opté pour une comptabilité directe de leurs mobiles avec le standard Qi, plusieurs constructeurs ont décidé pour certains de leurs modèles de la proposer en option. C'est le cas de Nokia avec les Lumia 820 et 925 plus récemment.
Samsung a également préféré proposer cette fonctionnalité en option sur le Galaxy S4. Comme pour le S3, il faudra donc acquérir une coque spécifique afin de pouvoir charger le fleuron du constructeur coréen avec un socle Qi.
Samsung la propose suivant les deux coloris du S4 (gris ou blanc). Il suffit dès lors de retirer la coque arrière afin de la remplacer par celle-ci.
Elle est légèrement plus lourde (quelques grammes tout au plus) que la coque d'origine. Au passage, le S4 sera plus épais d'un millimètre environ.
Si d'aucuns critiquent le choix du polycarbonate pour le S4 alors que HTC a opté pour l'aluminium, force est de constater qu'il s'avère judicieux lorsqu'il est question de recharge sans fil. Le HTC One ne supporte d'ailleurs pas la norme Qi et le Nexus 4 au dos en verre n'est pas le plus adapté (en termes de rendement) à la recharge Qi (voir chapitres suivants).
Comptez 49.90€ euros pour acquérir la coque officielle Samsung qui rend le S4 compatible avec la norme Qi.
En revanche, l'utilisation de ce dos de substitution n'est pas compatible avec l'utilisation de certaines coques de protection. On pense en particulier aux Flip Cover et S View Cover proposées par Samsung.
Pour le Lumia 925, le coque Qi est disponible au tarif de 30€.
Test du chargeur Qi Zens
Le socle de recharge Qi de Zens se présente sous la forme d'un petit plateau mesurant 11 par 9 cm. Une LED indique lorsque la batterie du smartphone a été intégralement chargée. A noter que la charge s'interrompt alors immédiatement à l'instar de certains chargeurs filaires qui ne fournissent plus de courant lorsque le processus de charge est terminé.
Dans la boîte du chargeur, on trouve :
- un socle Qi de chargement
- un adaptateur secteur
- une notice d'utilisation
Avec ce chargeur, il faut 3h33 pour charger entièrement un Nexus 4.
L'adaptateur secteur fourni avec le Zens est capable de fournir un courant continu de 1 A (1000 mA). Or, la batterie Li-Po du Nexus 4 a une capacité de 2 100 mAh. On ne peut toutefois pas en déduire le temps de charge théorique et le rendement puisque le socle adapte la puissance durant la recharge.
On peut cependant comparer ce temps à celui nécessaire pour recharger le Nexus 4 avec un chargeur filaire.
Ainsi, chargé en filaire avec un chargeur capable de fournir un courant DC de 1 ampère, il faut 3h02 (pour être précis) pour le charger intégralement. Cela nous donne un facteur k de 1.44, soit un rendement de 69%. A mettre en cause pour ces rendements de recharge plutôt moyens du Nexus 4, le circuit (PMU pour Power Management Unit) et/ou la batterie elle-même.
Le même chargeur Qi Zens a par ailleurs été testé avec un Galaxy S4 (modèle I9505) doté d'une batterie de 2 600 mAh. Il faut 4h pour le charger.
Avec le chargeur filaire fourni avec le Galaxy S4, il faut 2h50 pour une recharge intégrale. Mais comme, on l'a vu précédemment, ce chargeur met en oeuvre la technologie Quick Charge 1.0 de Qualcomm et diminue notablement le temps de charge par rapport à un chargeur filaire classique.
A noter par ailleurs, que si le modèle I9505 du S4 bénéficie du Quick Charge, il n'en est rien de la version I9500 qui adopte le SoC Exynos 5 Octa.
Everything4mobile qui nous a permis de faire ce test propose le chargeur Qi Zens sur son site au tarif de 50.15€.
Test du chargeur Qi Fatboy DT-901 de Nokia
Le chargeur Qi Fatboy DT-901 de Nokia se compose d'un mini-coussin (proposé en différents coloris) et du chargeur Qi à proprement parler (DT-900) qui vient nicher dans le coussin (il peut être acheté séparément).
Dans la boîte soignée du DT-901, vous trouverez donc :
- un socle Qi (DT-900)
- un mini coussin
- un adaptateur secteur capable de délivrer un courant continu de 750 mA
- un câble permettant de connecter l'adaptateur au socle
- une notice
Le chargeur de Nokia vient enrichir l'écosystème d'accessoires (oreillette Bluetooth Luna, enceintes, casques…) destinés aux smartphones Lumia de la marque. Il est toutefois compatible avec des smartphones d'autres constructeurs supportant la norme Qi.
Nokia le décline en plusieurs coloris. Au dos, une bande en caoutchouc permet au socle de ne pas glisser s'il est utilisé séparément du coussin.
Pour des raisons qui nous échappent, il ne fonctionne pas correctement avec le Nexus 4 de LG et Google. Le cycle de charge débute puis s'interrompt sans cesse. La plaque de verre au dos du Nexus 4 nécessite peut-être un socle plus puissant (i.e. doté d'une plus grosse bobine).
En revanche, il fonctionne parfaitement avec le Samsung Galaxy S4 (modèle I9505).
Il suffit de placer votre smartphone compatible Qi pour que le charge débute. Un message s'affiche alors sur l'écran du S4 vous indiquant que le cycle de charge a démarré.
Un voyant lumineux vient donner des indications à l'utilisateur :
- une lumière continue indique que le chargement est en cours
- un clignotement long signifie que le smartphone est chargé
- clignotement rapide précise que la charge ne se fait pas correctement
Il faut exactement 4 heures pour charger entièrement le Galaxy S4 avec le chargeur Fatboy de Nokia. On peut comparer cette durée aux 2h50 nécessaires pour charger le S4 I9505 avec le chargeur Quick Time 1.0 fourni avec le smartphone (la variante I9500 du S4 ne bénéficie pas du support du QC 1.0).
MaisonDuGSM qui nous a permis de faire ce test propose le coussin Nokia Fatboy DT-901 (norme Qi) décliné en 5 couleurs sur son site au tarif de 89.90€.
Conclusion
La recharge sans fil est promise à un bel avenir. Si actuellement, seuls des produits répondant à la norme Qi sont proposés, les choses pourraient bien changer à l'avenir avec le consortium A4WP qui pousse pour imposer son standard.
La norme Qi jouit toutefois d'une certaine maturité avec des socles de charge offrant de très bons rendements même s'ils peuvent changer notamment en fonction du smartphone qui est chargé.
Bluetooth (largement utilisé pour transmettre le son), standard Miracast (utilisant le WiFi Direct pour la transmission de vidéos avant tout) et Qi actuellement pour la recharge sans fil sans oublier le Wifi (sur 2,4 GHz et 5 GHz) et les signaux 2G, 3G et 4G issus de nos mobiles : l'avénement du tout sans câbles est en route et on espère qu'il permettra dans un avenir plus ou moins lointain de s'affranchir de toute cette cohorte de fils qui envahissent nos domiciles. Reste à savoir si l'augmentation des portées et des puissances pour la recharge sans fil n'aura pas d'effets néfastes sur la santé et si tout ce joli monde pourra cohabiter sans trop d'interférences.
A défaut d'améliorer notablement les performances des batteries (cela finira bien par arriver toutefois), les constructeurs rivalisent donc d'ingéniosité pour les charger le plus aisément possible (recharge sans fil) ou bien le plus rapidement possible (avec des systèmes comme Quick Charge de Qualcomm).
