Offenkundige Vorteile des kabellosen Ladens sind einerseits die Zweckmäßigkeit, da jegliche Stecker oder spezielle Steckverbinder wegfallen, und zweitens die Robustheit, denn schließlich können keine Kontakte brechen, und außerdem lässt sich das Produkt für den Einsatz unter rauen Bedingungen komplett versiegeln. Diese Pluspunkte kommen verstärkt in Anwendungen zum Tragen, die auf Mobilität angewiesen sind – speziell, wenn diese Applikationen immer autonomer werden.

Die drahtlose Energieübertragung im Überblick

Eckdaten

Drahtlose Energieübertragungssysteme werden bald an der Tagesordnung sein, um die Bedienungsfreundlichkeit und Robustheit batteriebetriebener Anwendungen zu verbessern. Das Spektrum reicht dabei von einfachen induktiven Lösungen für kleine elektronische Geräte bis zu komplexeren Resonanz-Lösungen mit mehr Leistung für dynamische und häufig auch autonome Applikationen. Für Anwendungen mit höherer Leistung, in denen der Wirkungsgrad einen höheren Stellenwert hat, bieten sich die C2000-Mikrocontroller von TI an.

Ein Produkt mit drahtloser Energieübertragung besteht aus einer als Sender (TX) fungierenden Basiseinheit und einem mobilen Empfänger (RX), der die gesendete Energie drahtlos empfängt, um seinen Akku aufzuladen (Bild 1). Dabei ist die TX-Basiseinheit der statische Teil des Systems. Mit elektrischer Energie aus dem Wechselstromnetz erzeugt sie ein elektrisches oder magnetisches Feld zur drahtlosen Energieübertragung. Eine PFC-Stufe (Power Factor Correction) wandelt die Wechselspannung aus dem öffentlichen Stromnetz in eine Gleichspannung. Optional kann jetzt ein Gleichspannungswandler folgen, um beim Aufrechterhalten der Resonanz über die verschiedenen Spannungsbereiche zu helfen, die die verschiedenen Empfänger möglicherweise verlangen. Ein Wechselrichter wandelt die Gleichspannung daraufhin in eine hochfrequente Wechselspannung um, deren Frequenz abhängig von der zu übertragenden Leistung und der finalen Applikation meist zwischen 80 und 500 kHz liegt.

Beispielsweise sieht der bei elektrischen Kleingeräten weit verbreitete Qi-Standard eine Schaltfrequenz von 110 bis 205 kHz vor, während in einigen Anwendungen mit höherer Leistung, wie etwa Elektrofahrzeugen, niedrigere Frequenzen zwischen 50 und 80 kHz üblich sind. Mit dem Aufkommen von Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gehen die Designer dazu über, höhere Frequenzen für drahtlose Energieübertragungssysteme zu verwenden. Solche Hochfrequenz-Wechselrichter erweitern Designer oftmals durch eine Sendespule und ein Kompensationsnetzwerk. Die Sendespule fungiert dabei als Antenne und erzeugt die elektrischen und/oder magnetischen Felder, mit denen die elektrische Energie drahtlos zur Empfängerseite gekoppelt wird.

Demgegenüber steht die Empfängerspule, die mit ihrem Kompensationsnetzwerk die erzeugten elektrischen und/oder magnetischen Felder aufnimmt und sie in Gleichspannung umwandelt. In den meisten Designs kommt ein passiver Gleichrichter auf Diodenbasis zum Einsatz. Da die Industrie jedoch vermehrt nach einer Anhebung des Wirkungsgrads strebt, setzten Unternehmen zunehmend auf Synchrongleichrichter-Lösungen. Die durch Gleichrichtung aus der gekoppelten Spannung gewonnene Gleichspannung wird zum Aufladen der Batterie in der empfangenden Einheit verwendet.

Voraussetzungen für die drahtlose Energieübertragung

Bild 1: Schema eines Systems zur drathlosen Energieübertragung.

Bild 1: Schema eines Systems zur drathlosen Energieübertragung. Texas Instruments

Bei der Entwicklung eines für die drahtlose Energieübertragung vorgesehenen Produkts gilt es, sich mit den jeweiligen Anforderungen auseinanderzusetzen. Welche Priorität diese Anforderungen haben und welche Abstriche gegebenenfalls möglich sind, hängt von der Anwendung und den Zielsetzungen für das System insgesamt ab.

  • Wirkungsgrad: Im stationären Zustand oder momentan – statisch oder dynamisch. Der Wirkungsgrad erfordert stets Abwägungen gegen andere Anforderungen.
  • Leistungsfähigkeit: Ladezeit, Leistungsfaktor, Ansprechzeit und Stabilität sind nur einige der vielen zu berücksichtigenden Faktoren.
  • Zuverlässigkeit: Auf die Temperatur oder mechanische Einflüsse zurückzuführende Beeinträchtigungen der Elektronik, der magnetischen Bauteile und des Gehäuses.
  • Funktionssicherheit: Übertragung großer Energien mithilfe elektromagnetischer Felder, elektrische Funktionssicherheit und Erkennung von Fremdobjekten.
  • Format: Festlegung der Abmessungen für die Applikation mit entsprechenden Abstrichen bei den Bauteilen, beispielsweise in Sachen Wärmeableitung, elektromagnetischer Verträglichkeit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
  • Betriebsbedingungen: Feuchte, Temperatur, magnetische und elektromagnetische Störbeeinflussungen, mechanische Belastungen, Beanspruchung und Verunreinigungen.
  • Deployment: Hier kommen die für interagierende Systeme geltenden Herausforderungen ins Spiel. Entwickler oder Designer können beispielsweise einen perfekten Empfänger für kabelloses Laden entwerfen, jedoch müssen sie dabei auch die Übertragungsinfrastruktur berücksichtigen. Außerdem gilt es zu beachten, ob das Produkt auch für den Einsatz in einem System mit Kabel-Schnittstelle ausgelegt sein muss.
  • Kosten: Dieser Posten ist für jedes Produkt wichtig, um den Erfolg und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu gewährleisten.

Welche Arten der drathlosen Energieübertragung es gibt, lesen Sie auf der nächsten Seite.

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