Wireless Charging: Strom aus der Luft

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Der Qi-Standard hat das Rennen um das drahtlose Laden gewonnen. Wireless Charging hält zunehmend Einzug in Unterhaltungs- und Medizinelektronik, Elektromobilität und Industrieanwendungen.

Das Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung ist nicht neu. Es wird erforscht, seit es Transformatoren und induktive Kopplungen gibt. Schon Ende des 18. Jahrhunderts überlegte Elektrotechnikpionier Nikola Tesla, wie man Energie kabellos von den Niagarafällen um die Welt transportieren könnte.

Induktive Kopplung: Energietransfer über kurze Distanzen

Strom lässt sich mit verschiedenen Verfahren drahtlos transferieren. Bei der nicht strahlenden Kopplung ist die Energieübertragung auf kurze Distanzen von wenigen Zentimetern begrenzt. Das am weitesten verbreitete Prinzip ist die Induktion. Sie basiert auf dem magnetischen Fluss und hat einen relativ hohen Wirkungsgrad bis 90 Prozent. Im Sender erzeugt ein Oszillator ein magnetisches Wechselfeld. Die Übertragung erfolgt per Gegeninduktion zwischen Spulen im Sender und Empfänger. Der Wechselstrom in der Sendespule induziert in der Empfangsspule eine Wechselspannung, die gleichgerichtet und dem Verbraucher als Gleichspannung zugeführt wird.

Angewendet wird das Induktionsprinzip zum Beispiel beim Laden von Mobilgeräten wie Smartphones, RFID-Transpondern, medizinischen Geräten mit niedriger Stromaufnahme wie Herzschrittmachern, E-Autos, zwischen Maschinenteilen oder zwischen Schienensystemen und Elektrofahrzeugen wie dem Transrapid.

Die resonante induktive Kopplung – bekannt unter Markennamen wie WiTricity – erlaubt es, Energie über größere Entfernungen zu übertragen. Zwischen Sende- und Empfangsspule werden freie Schwingkreise platziert, die aus einem Kondensator und einer Spule bestehen. Die Resonanz zwischen den Schwingkreisen bewirkt eine bessere magnetische Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule.

Komfortabel, aber weniger effizient

Wireless Charging funktioniert: Einfach das Gerät auf ein Ladepad stellen, ein paar Stunden warten und fertig. Umständliches Gefuchtel mit Ladekabeln entfällt ebenso wie der Verschleiß an Steckkontakten. Ohne externen Stromanschluss sind kompaktere Bauformen und komplett dichte Produktgehäuse möglich – ein Plus für Medizin- und Industrieanwendungen in schwierigen Umgebungen.

Induktives Laden bringt aber auch eine Reihe von Einschränkungen mit sich: Es geht langsamer als per Kabel und verbraucht mehr Strom. In der Praxis ist der Wirkungsgrad mit 50 bis 85 Prozent deutlich geringer als beim Laden per Kabel mit etwa 95 Prozent. Die Stromquelle muss also mehr Energie liefern oder die Ladedauer verlängert sich merklich. Die Spulen in Sender und Empfänger müssen relativ genau übereinander platziert werden. Das kabellose Laden erfordert zudem mehr Hardware-Komponenten, was Zusatzkosten verursacht.

Industriestandard Qi: Sieg im Rennen um kabelloses Laden

Das Rennen um die Vorherrschaft beim induktiven Laden hat der Standard Qi (Chinesisch: Lebensenergie) des Wireless Power Consortium (WPC) gewonnen. Dem Konsortium gehören unter anderem Samsung, Sony, Nokia und Apple, aber auch Batteriehersteller, Netzwerkbetreiber, Automobilzulieferer und Möbelhäuser an. Qi unterstützte zunächst eine Ausgabeleistung von 5 Watt. Heute sind auch andere Leistungswerte wie 2 Watt und 10 Watt möglich. Zu den Qi-fähigen Mobilgeräten gehören das Apple iPhone X und 8 sowie die Samsungs Galaxy-Geräte S8 und S9 (Plus).

Der aktuelle öffentlich verfügbare Qi-Standard 1.2.3 bringt es auf 15 Watt. Fast Wireless Charging beherrschen derzeit allerdings erst sehr wenige Geräte. Die Stärke des Ladestroms wird mittels Übertragungsfrequenz geregelt. Wenn der Akku fast vollständig geladen ist, wird der Ladestrom sukzessiv reduziert, indem die Übertragungsleistung des Empfängers herabgesetzt wird. Ist die Batterie voll, wird ein End-of-Charge-Signal an die Ladestation geschickt, die dann in den Stand-by-Betrieb übergeht.

Der größte Konkurrent von Qi, PowerMat, der ebenfalls auf induktive Kopplung setzt, hat inzwischen das Handtuch geworfen und schließt sich dem Wireless Power Consortium an. Der eigene Standard AirFuel ist damit tot. Vorteile wie die Möglichkeit, mehrere Geräte an einer Ladestation mit Energie zu versorgen, und höhere Leistungen bis 40 Watt, verhalfen der Technologie letztlich nicht zum Durchbruch.

Ausschlaggebend für den Beitritt zum WPC war die Entscheidung von Apple, bei den aktuellen iPhones den Qi-Standard zu verwenden. Auch die Fusion der Power Matters Alliance (PMA) mit der Alliance for Wireless Power (A4WP), die resonante magnetische Kopplung nutzt, konnte keine Trendwende einleiten.

BMW, Audi, Nissan & Co: E-Autos kontaktlos laden

Rare Ladesäulen und umständliches Hantieren mit dem Stromkabel zählen zu Faktoren, die die Elektromobilität ausbremsen. Kontaktloses Laden könnte ihr neuen Schub geben. Bislang hat die Autoindustrie sich allerdings nicht auf einen gemeinsamen Standard geeinigt.

Der einzige Hersteller, der ein ab Werk verbautes induktives Ladesystem anbietet, ist BMW – und zwar für seinen Plug-in-Hybrid 530e iPerformance. Das GroundPad erzeugt ein magnetisches Feld. Im CarPad am Fahrzeugunterboden wird Strom induziert, der die Hochvoltbatterie des Autos über acht Zentimeter Luftlinie lädt. Die Ladeleistung beträgt gerade einmal 3,2 kW – das Niveau von Haushaltssteckdosen. Den Wirkungsgrad gibt BMW mit 85 Prozent an.

Per Audi Wireless Charging (AWC) lässt sich die Batterie einiger Audi e-tron-Modelle induktiv laden. Sobald das Auto über der Ladeplatte platziert ist, fährt die Ladespule nach oben und der Ladevorgang mit 3,6 kW startet. Das magnetische Wechselfeld induziert über den Luftspalt hinweg eine Wechselspannung in der Sekundärspule unter der Vorderachse.

Sie wird über einen AC/DC-Wandler gleichgerichtet und in das Hochvolt-Bordnetz eingespeist. Der Wirkungsgrad liegt laut Audi bei mehr als 90 Prozent. Nissan will für seine Elektroautos wie den Leaf die Drahtlos-Ladesysteme von WiTricity einsetzen. Auch Porsche setzt auf induktives Laden.

Künftig ließen sich Cluster aus induktiven Ladesystemen in der öffentlichen Infrastruktur – zum Beispiel auf der Autobahn – integrieren. E-Autos könnten dann während der Fahrt laden und die Batterien ließen sich kleiner dimensionieren. Dass das kontaktlose Laden während der Fahrt klappt, zeigte Halbleiterhersteller Qualcomm Technologies Inc. (electronica Aussteller, Halle B4, Stand 415) mit seiner induktiven Ladetechnik Halo.

Strom aus Radiowellen

In der Praxis kaum von Bedeutung ist die strahlende Energieübertragung mittels elektromagnetischen Wellen wie Licht oder Radiowellen. Damit lassen sich deutlich größere Entfernungen überbrücken. Die Freiraumdämpfung erlaubt jedoch nur einen sehr geringen Wirkungsgrad unter einem Prozent.

Ein Patentantrag von Apple gab zu der Spekulation Anlass, dass sich die Mobilgeräte des Herstellers künftig über Radiowellen mit Strom betanken lassen könnten. Zudem kursiert das Gerücht, dass Apple mit Energous zusammenarbeitet. Die US-Firma entwickelt die Fernladetechnik Watt Up , die Mobilgeräte mit geringer Leistungsaufnahme im Umfeld von 4,5 Metern mit Radiowellen aufladen können soll. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Ossia: Die Basisstation Cota Transmitter ist mit Tausenden von Miniantennen vollgepackt.

Das zu versorgende Gerät wird mit einem RF-Empfangschip aufgerüstet, der Radiofrequenzsignale sendet, die von den Antennen der Basisstation aufgefangen werden. Diese schickt konzentrierte RF-Signale zurück, die der RF-Chip in Energie umwandelt. Die Reichweite soll drei Meter betragen. Marktreife Produkte gibt es noch nicht.

Ausblick

Kontaktlose Lademöglichkeiten könnten überall dort zum Einsatz kommen, wo Menschen Strom für ihre Geräte benötigen: in Büros, Fabriken, Krankenhäusern, Flughäfen, Bahnhöfen, Hotels oder Messehallen. So sind zum Beispiel in einigen Filialen von Starbucks und McDonald´s Ladepads in die Tische integriert.

Man könnte auch gleich ganze Räume und Hallen zu kabellosen Stromversorgern machen, zum Beispiel durch leitfähige Wandfarbe oder Kupferstangen wie Disney Research es mit seinem System Quasistatic Cavity Resonance for Ubiquitous Wireless Power Transfer (QSCR) umgesetzt hat. Auch das kontaktlose Weiterreichen von Strom von einem Gerät zum nächsten ist möglich: Huaweis In-Ear-Headphones Freebuds 2 Pro zapfen den Energievorrat des Mate 20 (Pro) an – einfach, indem man sie auf die Rückseite des Smartphones legt.

An der Energieeffizient wird noch gearbeitet: „Künftig könnten induktive Ladestationen für Autos, Mobiltelefone und andere Anwendungen hinsichtlich Energieeffizienz noch deutlich zulegen, indem der Wechselstrom der Steckdose direkt in die Übertragungsfrequenz umgerichtet wird, also ohne den Umweg über den Gleichstrom“, sagt Gregor Dürrenberger von der schweizerischen Forschungsstiftung Strom und Mobilkommunikation (FSM).

electronica 2018

Erfahren Sie mehr über Drahtlostechnologien auf dem   Intelligente Energieversorgung ist Fokusthema des electronica Wireless Congress: Systems & Applications. Intelligente Energieversorgung ist Thema des Power Electronics Forum .

www.electronica.de

 

 

 

 

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