Viele moderne batteriebetriebene technische Geräte bieten die Möglichkeit des Aufladens ohne physischen Anschluss an eine Stromversorgung, sondern durch einfache Unterstützung einer speziellen Basisstation, die im Übrigen nicht unbedingt vom gleichen Hersteller des Geräts bereitgestellt werden muss. Wenn Geräte verschiedener Hersteller miteinander zusammenarbeiten können, ist dies auf das Vorhandensein offener Normen zurückzuführen, die häufig von einem Konsortium verschiedener an der Entwicklung der jeweiligen Technologie interessierter Marken entwickelt wurden.
Das Konzept der drahtlosen Energieübertragung ist seit langem bekannt, genauer gesagt seit über 100 Jahren, und geht auf die Erfindung der Teslaspule zurück. Ein Schlüsselfaktor bei der drahtlosen Energieübertragung ist die Effizienz: Um das System effektiv definieren zu können, muss ein großer Teil der vom Generator übertragenen Energie das Empfangsgerät erreichen. Die beiden Arten von induktiven Kopplungsverfahren, die für die drahtlose Übertragung im Nahfeld verwendet werden können, sind die induktive Standardkopplung und die induktive Resonanzkopplung.
Generell ist die induktive Standardkopplung bei einer relativ kurzen Kommunikationsdistanz praktikabel, da der größte Teil des magnetischen Flusses nicht zwischen den Spulen angeschlossen ist und die Magnetfelder schnell abklingen. Die induktive Resonanzkopplung bietet einen höheren Wirkungsgrad (bis zu 95 %) und funktioniert auch bei relativ großen Entfernungen (mehrere Meter), da die Resonanzspule die Energieverluste erheblich reduziert und die Übertragung von Energie von einer Spule zur anderen ermöglicht.
Anwendungen
Die drahtlose Energieübertragung (WPT) kann entweder zur direkten Stromversorgung von Geräten wie LED-Leuchten oder Fernsehern oder zum Aufladen von Akkus, z. B. von Mobiltelefonen, verwendet werden, indem man sie einfach an Bord legt. Die Kommunikation zwischen medizinischen Geräten, die in den menschlichen Körper implantiert sind, und externen Geräten ist seit langem bekannt. Ein Beispiel dafür sind die Diagnoseparameter, die von einem Friedensstifter nach außen übertragen werden. Bei dieser Anwendung wird die Kommunikation durch eine induktive Kopplung zwischen einer kleinen Drehung im Gehäuse des Geräts und einer größeren Drehung auf der Brust des Patienten ermöglicht. Implantierte medizinische Geräte müssen jedoch ordnungsgemäß mit Strom versorgt werden, und obwohl die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien einen autonomen Betrieb ermöglicht, erfordert ihr Austausch invasive Eingriffe mit relativen Risiken für die Gesundheit des Patienten. Die WPT-Technologie kann dieses Problem durch drahtlose Ladesysteme lösen. In den letzten Jahren hat die Anwendung der WPT-Technologie auf dem Gebiet der nachhaltigen Elektromobilität in Forschungseinrichtungen, insbesondere in Asien, ein wachsendes Interesse gefunden. Heutzutage müssen Elektrofahrzeuge über einen Stecker mit einer Steckdose verbunden werden, um die Batterien aufzuladen. Die kabellose Energieübertragung macht solche Stecker überflüssig und ermöglicht ein automatisches Aufladen (Abbildung 1).
Technologie
Das elektromagnetische Feld, das von einer Antenne abstrahlt, weist Eigenschaften auf, die von der Entfernung zum abstrahlenden Element abhängen. Insbesondere kann man zwei Bereiche unterscheiden: den Nahfeldbereich und den Fernfeldbereich.
Ein bekanntes Beispiel ist der Transformator, der Energie von einer Primärspule auf eine Sekundärspule überträgt, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung besteht, sondern durch magnetische induktive Kopplung. Transformatoren bestehen aus Ferritkernen und erfordern eine genaue Ausrichtung zwischen der Primär- und der Sekundärseite, um eine starke Kopplung zu erreichen. Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm einer typischen Schaltung, die eine induktive magnetische Kopplung realisiert.
Die erste Stufe wird durch einen Wechselrichter dargestellt, der Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) mit der entsprechenden Frequenz (typischerweise im Bereich zwischen Hunderten von Kilohertz und mehreren Megahertz) umwandelt. Danach passt ein Impedanzanpassungsnetzwerk die von der Sendespule wahrgenommene Impedanz entsprechend der Last an, so dass ein Wirkungsgrad von etwa 90 % erreicht werden kann. Die nächste Stufe besteht aus den Sende- und Empfangsspulen, die das Magnetfeld erzeugen bzw. abfangen. Ein zweites Impedanzanpassungsnetzwerk sorgt dafür, dass die Last die richtige Impedanz erfährt, und schließlich wandelt ein Gleichrichter den Wechselstrom mit Hilfe eines Spannungsreglers in einen stabilen Gleichstrom um.
Die Anwendung dieser Technologie in tragbaren elektronischen Geräten ist durch die eingeschränkte Bewegungsfreiheit aufgrund der Notwendigkeit eines hohen Wirkungsgrads und durch das Gewicht der magnetischen Massenmaterialien bedingt. Damit die Kopplung effizient ist, müssen die Primär- und Sekundärseite gut ausgerichtet sein, und auch der Abstand zwischen ihnen darf Längen in der Größenordnung von einigen zehn Zentimetern nicht überschreiten. Aus diesen Gründen wird die induktive Kopplung häufig für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Ausgehend von den Grundprinzipien der induktiven Kopplung ist es möglich, die Übertragungsdistanzen durch die Technik der resonanten magnetischen Kopplung zu erhöhen. Das Konzept hinter der resonanten magnetischen Kopplung ist folgendes: eine große induktive Spirale, die von einer Hochfrequenzquelle angeregt wird, kann ihre Resonanz ausnutzen, um einen Resonanzmodus in einer anderen ähnlichen Struktur zu induzieren, die sich in einem bestimmten Abstand befindet. Dies ermöglicht eine Leistungsübertragung ohne Strahlungsfeld über eine Entfernung, die sogar das Vierfache der Größe der Spirale betragen kann (Abbildung 3).
Der 50-60 Hz-Wechselstrom wird gleichgerichtet und vom Gleichrichterblock in Gleichstrom umgewandelt. Das kontinuierliche Signal versorgt dann den HF-Block, einen Verstärker, der die Gleichspannung in eine Hochfrequenzspannung umwandelt, mit der die Schleife in die Übertragung gebracht wird. Auf der Empfangsseite überträgt die eingehende Resonanzschleife das HF-Signal an den Gleichrichter, der die Last mit einem entsprechend geregelten Gleichstrom versorgt. Obwohl in der Abbildung nicht dargestellt, enthalten diese Systeme oft Impedanzanpassungsnetzwerke, um einen akzeptablen Übertragungswirkungsgrad zwischen Quelle und Last zu erreichen.
Die Systeme können als RLC-Schaltung dargestellt werden (Abbildung 4), bei der, bei der Resonanzfrequenz die Energie zwischen der Spule L, wo sie im magnetischen Feld gespeichert wird, und dem Kondensator C, wo sie im elektrischen Feld akkumuliert wird, hin und her schwingt. Die Qualität, mit der der Resonator Energie akkumuliert, wird durch den Qualitätsfaktor Q definiert, der eine Funktion der Resonanzfrequenz w0 und des Verlustfaktors Γ ist:
Wenn zwei gleichartige Resonatoren bei der Resonanzfrequenz nahe beieinander liegen, tritt zwischen ihnen eine Kopplung auf, die eine Energieübertragung ermöglicht. Die folgende Formel gibt den optimalen Wirkungsgrad an, mit dem die Energieübertragung stattfindet:
Wie man sieht, hängt er allein vom Leistungsfaktor U ab, der die Güte der Kopplung angibt.
Im Vergleich zur magnetinduktiven Kopplung hat die resonante magnetische Kopplung erhebliche Vorteile:
- Das Fehlen von Ferritkernen macht sie leichter und daher besser integrierbar;
- die Entfernungen zwischen Sender und Empfänger können bis zu 4 Meter betragen, ohne die stark einschränkende Bedingung einer perfekten Ausrichtung zwischen den beiden Schleifen;
Die Ausrichtung der Empfangs- und Sendespulen im Strömungsfeld und der Abstand zwischen den Spulen bestimmen die Effizienz, mit der die Energie übertragen wird. Die Resonanzfrequenz, das Verhältnis zwischen den Abmessungen der Sendespulen und denen der Empfangsspulen, der Kopplungsfaktor, die Wicklungsimpedanz und die parasitären Ströme der Spule sind weitere Faktoren, die einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Energieübertragung haben.
Qi-Protokoll
Das Qi-System ist ein Standard für die drahtlose Energieübertragung. Es besteht aus zwei Grundmodulen, nämlich der Basisstation und dem mobilen Gerät. Seine Architektur auf der höchsten Ebene ist in Abbildung 5 dargestellt.
Die Basisstation besteht aus einem oder mehreren Sendern: Jeder von ihnen kann die drahtlose Energieübertragung an ein einzelnes mobiles Gerät zur gleichen Zeit ermöglichen und besteht im Prinzip aus einer Energieumwandlungseinheit sowie einer Steuer- und Kommunikationseinheit. Der Qi-Standard ist bereits auf dem Verbrauchermarkt vertreten und an Bord einer breiten Palette von Mobilgeräten. Aber auch die entwickelte Welt kann von dieser Technologie profitieren, dank Projekten wie dem kürzlich vorgestellten TIDA-00881, einer Platine von Texas Instruments, die entwickelt wurde, um andere Low-Power-Platinen von TI (einschließlich der Platinen der Launchpad-Serie) um die Stromversorgungsfunktionalität für drahtloses Qi zu erweitern.
Infineon bietet Leistungs-MOSFETs für viele drahtlose Ladestandards an und ist ein aktives Mitglied des Wireless Power Consortium (WPC) und der AirFuel Alliance, den beiden führenden Unternehmenskonsortien für drahtlose Ladetechnologie. Die AirFuel Alliance hat einen Standard für resonantes WPT definiert, das mit einer Frequenz von 6,78 MHz arbeitet und das gleichzeitige Laden mehrerer Geräte ermöglicht. BSZ0909ND eignet sich insbesondere für kabellose Ladearchitekturen oder Steuerungskomponenten (z. B. in Drohnen oder Multimotoren), bei denen die Entwickler das Layout vereinfachen und erheblich Platz sparen müssen, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen.
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