Veel geavanceerde technologische apparaten op batterijen bieden de mogelijkheid om op te laden zonder fysieke aansluiting op een stroomvoorziening, maar door eenvoudige ondersteuning op een speciaal basisstation, dat bovendien niet noodzakelijkerwijs door dezelfde fabrikant van het apparaat hoeft te worden geleverd. Als apparaten van verschillende fabrikanten met elkaar kunnen samenwerken, is dat te danken aan het bestaan van open normen, die heel vaak zijn ontwikkeld door een consortium van verschillende merken die belang hebben bij de ontwikkeling van die bepaalde technologie.
Het concept van draadloze energieoverdracht is al enige tijd bekend, meer dan 100 jaar om precies te zijn, en gaat terug tot de uitvinding van de Tesla-spoel. Een sleutelfactor bij draadloze energieoverdracht is efficiëntie: om het systeem effectief te kunnen definiëren, moet een groot deel van de door de generator uitgezonden energie het ontvangende apparaat bereiken. De twee soorten inductieve koppelingsprocessen die kunnen worden gebruikt voor draadloze overdracht in de nabijheid van het veld, zijn de standaard inductieve koppeling en de resonante inductieve koppeling.
In het algemeen is de standaard inductieve koppeling uitvoerbaar op een betrekkelijk korte communicatieafstand, aangezien het grootste deel van de magnetische flux niet tussen de spoelen is verbonden en de magnetische velden snel vervallen. De inductieve resonantiekoppeling biedt een grotere efficiëntie (tot 95%) en werkt zelfs bij relatief grote afstanden (verscheidene meters), aangezien de resonantiespoel de energieverliezen aanzienlijk vermindert, waardoor de overdracht van energie van de ene spoel naar de andere mogelijk wordt.
Toepassingen
Draadloze energieoverdracht (WPT) kan worden gebruikt om een apparaat, zoals LED-lampen of een TV, rechtstreeks van stroom te voorzien en om een batterij, zoals een mobiele telefoon, op te laden door deze gewoon aan boord te plaatsen. Communicatie tussen in het menselijk lichaam geïmplanteerde medische apparatuur en externe apparatuur is al lang bekend. Een voorbeeld hiervan zijn de diagnostische parameters die door een pacemaker naar buiten worden gezonden. In deze toepassing maakt een inductieve koppeling tussen een kleine bocht die in de behuizing van het apparaat is geplaatst en een grotere die op de borst van de patiënt is aangebracht, communicatie mogelijk. Geïmplanteerde medische hulpmiddelen moeten echter op de juiste wijze van stroom worden voorzien en, hoewel het gebruik van lithium-ionbatterijen hen in staat stelt autonoom te werken, vereist de vervanging ervan invasieve ingrepen met relatieve risico’s voor de gezondheid van de patiënt. De WPT-technologie kan dit probleem verhelpen door middel van draadloze oplaadsystemen. In de afgelopen jaren heeft de toepassing van WPT-technologie op het gebied van duurzame e-mobiliteit steeds meer belangstelling gekregen van onderzoeksinstellingen, met name in Azië. Elektrische voertuigen moeten tegenwoordig via een connector aan een stopcontact worden gekoppeld om de accu’s op te laden. Draadloze stroomoverdracht maakt het mogelijk dergelijke connectoren overbodig te maken en maakt automatisch opladen mogelijk (figuur 1).
Technologie
Het elektromagnetische veld dat door een antenne wordt uitgestraald, neemt kenmerken aan die afhangen van de afstand tot het uitstralende element. In het bijzonder kunnen we twee gebieden onderscheiden: het nabije veldgebied en het verre veldgebied.
Een voorbeeld dat we allemaal kennen is de transformator, die energie overdraagt van een primaire spoel naar een secundaire zonder directe elektrische verbinding, maar met behulp van de magnetische inductieve koppeling. Transformatoren worden gemaakt met ferrietkernen en vereisen een nauwkeurige uitlijning tussen de primaire en secundaire zijde om een sterke koppeling tot stand te brengen. Figuur 2 toont het blokschema van een typische schakeling waarin een inductieve magnetische koppeling wordt toegepast.
De eerste trap wordt vertegenwoordigd door een inverter, die gelijkstroom (DC) omzet in wisselstroom (AC) met de juiste frequentie (gewoonlijk in het bereik tussen honderden kilohertz en enkele megahertz). Daarna past een impedantie-afstemmingsnetwerk de door de zendspoel waargenomen impedantie aan de belasting aan, zodat een rendement van ongeveer 90% kan worden bereikt. De volgende fase bestaat uit de zend- en ontvangspoelen, die respectievelijk worden gebruikt om het magnetisch veld op te wekken en te onderscheppen. Een tweede impedantie-afstemmingsnetwerk zorgt ervoor dat de belasting de juiste impedantie te zien krijgt en tenslotte zet een gelijkrichter de wisselstroom om in een stabiele gelijkstroom dankzij een spanningsregelaar.
Het gebruik van deze technologie in draagbare elektronische apparaten wordt bepaald door de beperkte bewegingsvrijheid als gevolg van de noodzaak van een hoge efficiëntie en door het gewicht van magnetische bulkmaterialen. Wil de koppeling efficiënt zijn, dan moeten de primaire en secundaire zijden goed zijn uitgelijnd en mag ook de afstand tussen beide zijden niet groter zijn dan tientallen centimeters. Om deze redenen wordt inductieve koppeling vaak gebruikt voor de aandrijving van elektrische voertuigen.
Uitgaande van de basisprincipes van de inductieve koppeling, is het mogelijk de transmissieafstanden te vergroten door middel van de techniek van de resonante magnetische koppeling. Het concept achter de resonante magnetische koppeling is het volgende: een grote inductieve spiraal die door een radiofrequente bron wordt aangeslagen, kan zijn resonantie benutten om een resonantiemodus te induceren in een andere soortgelijke structuur die op een bepaalde afstand is geplaatst. Hierdoor kan een vermogensoverdracht worden verkregen zonder gebruik te maken van een stralingsveld, op een afstand die zelfs vier keer zo groot kan zijn als de spiraal (figuur 3).
De 50-60 Hz wisselstroom wordt gelijkgericht en door het gelijkrichterblok in gelijkstroom omgezet. Het continue signaal voedt vervolgens het RF-blok, een versterker die de gelijkspanning omzet in radiofrequentiespanning die wordt gebruikt om de lus in de transmissie te sturen. Aan de ontvangstzijde zendt de inkomende resonantielus het RF-signaal naar de gelijkrichter, die de belasting voorziet van een voldoende geregelde gelijkstroom. Hoewel niet weergegeven in de figuur, bevatten deze systemen vaak impedantie-afstemmingsnetwerken voor het bereiken van een aanvaardbaar transmissierendement tussen bron en belasting.
De systemen kunnen worden voorgesteld als een RLC-circuit (figuur 4) waarin, bij de resonantiefrequentie de energie schommelt tussen de spoel L, waar zij in het magnetische veld wordt opgeslagen, en de condensator C, waar zij in het elektrische veld wordt geaccumuleerd. De kwaliteit waarmee de resonator energie accumuleert wordt gedefinieerd door de kwaliteitsfactor Q, die een functie is van de resonantiefrequentie w0 en van de verliesfactor Γ:
Wanneer twee gelijksoortige resonatoren bij de resonantiefrequentie dicht bij elkaar worden geplaatst, ontstaat er een koppeling tussen hen, waardoor een overdracht van energie mogelijk wordt. De volgende formule geeft het optimale rendement waarmee de energieoverdracht plaatsvindt:
Zoals men kan zien, hangt deze uitsluitend af van de meritfactor U, die de goedheid van de koppeling aangeeft.
Vergeleken met de magnetische inductieve koppeling heeft de resonante magnetische koppeling aanzienlijke voordelen:
- de afwezigheid van ferrietkernen maakt ze lichter en daardoor beter integreerbaar;
- de afstanden tussen zender en ontvanger kunnen oplopen tot 4 meter zonder de zeer beperkende beperking van een perfecte uitlijning tussen de twee lussen;
De uitlijning van de ontvang- en zendspoelen in het stromingsveld en de afstand tussen de spoelen bepalen de efficiëntie waarmee de energie wordt overgebracht. De resonantiefrequentie, de verhouding tussen de afmetingen van de zendspoelen en die van de ontvangstspoelen, de koppelingsfactor, de impedantie van de wikkeling en de parasitaire stromen van de spoel zijn andere factoren die een grote invloed hebben op de transmissie-efficiëntie energie.
Qi Protocol
Het Qi-systeem is een standaard voor draadloze energieoverdracht. Het bestaat uit twee basismodules, namelijk het basisstation en het mobiele apparaat. De architectuur van het hoogste niveau is weergegeven in figuur 5.
Het basisstation omvat een of meer vermogenszenders: elk van deze zenders kan één mobiel apparaat tegelijk draadloos van stroom voorzien en bestaat in principe uit een stroomconversie-eenheid en een besturingseenheid en communicatie. De Qi-norm is al aanwezig op de consumentenmarkt, aan boord van een breed scala van mobiele apparaten. Maar zelfs de ontwikkelde wereld kan profiteren van deze technologie dankzij projecten zoals de recente TIDA-00881, een bord van Texas Instruments dat is ontworpen om aan andere TI low-power borden (waaronder die van de Launchpad-serie) de voedingsfunctionaliteit draadloos Qi-compliant toe te voegen.
Infineon biedt power MOSFET’s voor veel draadloze oplaadstandaarden en is een actief lid van het Wireless Power Consortium (WPC) en AirFuel Alliance, de twee toonaangevende bedrijfsconsortiums voor draadloze oplaadtechnologie. De AirFuel Alliance heeft een standaard gedefinieerd voor resonante WPT, die werkt op een frequentie van 6,78 MHz en het mogelijk maakt om meerdere apparaten tegelijk op te laden. BSZ0909ND is met name geschikt voor draadloze oplaadarchitecturen of besturingscomponenten (bijvoorbeeld in drones of motoren met meerdere motoren) waar ontwerpers de lay-out moeten vereenvoudigen en aanzienlijk ruimte moeten besparen, zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie.
Bezoek EDN Asia voor het volledige artikel
