Drahtlose Energieübertragung entwickeln und optimieren

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

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. 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.

Die verschiedenen Arten der drahtlosen Energieübertragung

Abhängig von der TX/RX-Struktur und dem Mechanismus der Energieübertragung lassen sich drahtlose Energieübertragungssysteme in drei Kategorien einteilen: induktive, resonante und kapazitive Systeme.

Induktive Systeme

Bild 2: Sende- und Empfangsspulen in einem induktiven drahtlosen Energieübertragungs-system. Texas Instruments

Wie Bild 2 verdeutlicht, arbeiten die Sende- und Empfangsspulen in einem induktiven System zur drahtlosen Energieübertragung wie ein lose gekoppelter Transformator. Diese Technik kommt in großem Umfang in Mobiltelefonen und elektronischen Kleingeräten zum Einsatz, wenn die Distanz zwischen Empfangseinheit und Sendeeinheit sehr gering ist. Der Wechselrichter in der Sendeeinheit erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung, die gemäß dem Ampereschen Gesetz einen veränderlichen magnetischen Fluss zur Folge hat. Dieser Fluss koppelt durch die Luft in die Spulen der Empfangseinheit, in denen nach dem Faradayschen Gesetz ein elektrischer Strom induziert wird. Auf diese Weise ist somit die drahtlose Übertragung elektrischer Energie vom Sender zum Empfänger möglich.

Induktiv-resonante Systeme

Bild 3: Sende- und Empfangsspulen in einem resonanten System zur drahtlosen Energieübertragung. Texas Instruments

Da die Distanz zwischen Sender und Empfänger beispielsweise bei Elektrofahrzeugen größer ist, erweist sich die induktive Energieübertragung wegen ihres geringeren Wirkungsgrads hier als nicht praktikabel. Bei einem resonanten Verfahren heben sich die System-Impedanzen auf, sodass die drahtlose Energieübertragung hier selbst bei größeren Entfernungen mit vernünftiger Effizienz möglich ist. Es gibt stets mehrere Möglichkeiten für Resonanz zu sorgen. Unter anderem gibt es Kompensationsschemata mit Serienkondensatoren, Parallelkondensatoren und Induktivitäten. Je nach den Anforderungen des jeweiligen Systems haben alle diese Varianten ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Siehe dazu Bild 3.

Kapazitive Systeme

Bild 4: Sende- und Empfangsplatten in einem System zur kapazitiven drahtlosen Energieübertragung. Texas Instruments

Anstelle eines magnetischen Felds kann auch ein elektrisches Feld die Energie vom Sender zum Empfänger koppeln. Wie Bild 4 zeigt, erfolgt die drahtlose Energieübertragung bei einem kapazitiven System über Platten anstelle von Spulen. Dieses Verfahren kommt für einige Szenarien durchaus in Betracht. Es ist jedoch weniger populär, weil es höhere Schaltfrequenzen erfordert und für weniger Leistung geeignet ist als induktive oder induktiv-resonante Lösungen.

Die Steuereinheiten sind die entscheidenden Bauteile eines drahtlosen Energieübertragungssystems, weil sie den Kompensator und häufig auch den Wandler steuern und zudem die Umwandlung und Übertragung der Energie einrichten. Die Übertragung von Status-, Strom-, Spannungs- und Überwachungs-Informationen zwischen den Steuereinheiten auf der Sende- und Empfangsseite ist unabdingbar für ein effizientes, sicheres und zuverlässiges Produkt. Wegen der mechanischen Trennung ist die Verwendung drahtloser Kommunikationsstandards wie Bluetooth, Wi-Fi oder HF üblich. Ziel des Systems ist es, elektrische Energie so effizient wie möglich an die Sekundärseite zu übertragen.

Steuerung mehrerer Spulen

Ein wichtiges Thema in drahtlosen Energieübertragungssystemen ist die Übertragung von Energie bei unterschiedlichen Lagen und Ausrichtungen der Sende- und Empfangsseite. Um diese vielfältigen Variationen zu berücksichtigen, kann die Sendeeinheit mehrere Spulensätze mit ihren jeweiligen Kompensationsnetzwerken haben, die entsprechend der jeweiligen Lage und Ausrichtung in bestimmten Mustern angesteuert werden. Beim Laden von Mobilgeräten ist es auch möglich, mit einer Sendeeinheit mehr als ein Gerät zur gleichen Zeit zu laden, wofür die Leistung in mehreren Sendespulen geregelt werden muss.

Die skalierbare Mikrocontroller-Architektur C2000 von Texas Instruments (TI) bietet mehrere Optionen für das Systemdesign. Für die in Bild 1 dargestellte Sendeeinheit zeigt Bild 5 das Blockschaltbild des Leistungsteils. Gleichrichter-, Gleichspannungswandler- und Wechselrichterstufe lassen sich auf unterschiedliche Weise steuern. Für jede dieser Stufen bieten sich unterschiedliche Topologien an.

Zum Beispiel braucht die als Frontend-Gleichrichter fungierende AC/DC-Stufe eine gute Regelung der Ausgangsspannung, einen guten Leistungsfaktor sowie einen hohen Wirkungsgrad, zudem muss sie kompakt sein, was eine hohe Leistungsdichte fordert. Abhängig von der Höhe der Leistung der Sendeeinheit, lässt sich die Stufe mit Ein- oder Dreiphasen-Wechselstrom speisen. Bei einem einphasigen Eingang stellt die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung nach dem Totempfahl-Prinzip eine attraktive Option dar, da sie die Anforderungen an die Leistungsstufe sehr gut erfüllen kann. Ein Mikrocontroller des Typs Piccolo F280049 kann die Totempfahl-PFC-Topologie steuern – gleich, ob sie im nicht-lückenden Modus (Continuous Conduction Mode, CCM) oder im Critical Mode (CrM) arbeitet. Erfolgt die Versorgung dagegen mit Dreiphasen-Wechselstrom, erweist sich die Vienna-Gleichrichter-Topologie mit ihrer Drei-Pegel-Modulation als attraktiv.

Für die Gleichspannungswandler- und die Wechselrichterstufe können Entwickler einen zusätzlicher C2000-Mikrocontroller verwenden. Je nach Anwendung kann dieser Mikrocontroller eine oder mehrere Spulen ansteuern. In Bild 5 ist eine Möglichkeit zur Erzeugung der hochfrequenten Wechselspannung mithilfe einer Vollbrückenschaltung dargestellt. Abhängig vom Leistungsniveau des Systems kommen jedoch auch andere Varianten wie etwa eine Halbbrückenschaltung in Betracht. Der F280049 verfügt über 16 PWM-Kanäle und kann deshalb bis zu acht hochfrequente Halbbrücken-Wechselrichter oder vier Vollbrücken-Wechselrichter für eine Sendeeinheit mit mehreren Spulen ansteuern, wenn kein Gleichspannungswandler notwendig ist.

Wird eine höher integrierte Lösung gewünscht, kommt ein einzelner C2000-Mikrocontroller aus der Delfino-Familie in Frage. Der Dual-Core-Mikrocontroller F2837xD bietet die Möglichkeit, die PFC-Regelung von einem Core verarbeiten zu lassen, während der andere Core einen hochfrequenten Wechselrichter ansteuert.

Drahtlose Kommunikation zwischen Sende- und Empfangseinheit

Bild 5: Schaltbild des Leistungsteils einer Sendeeinheit zur drahtlosen Energieübertragung mit mehreren Spulen. Texas Instruments

Zweck eines drahtlosen Energieübertragungssystems ist meist das Laden einer Batterie, die mit der Empfangseinheit verbunden ist. Da zwischen Sende- und Empfangseinheit keine physische Verbindung besteht, muss die Übertragung der entsprechenden Informationen an die Sendeeinheit drahtlos erfolgen. Simple-Link-Mikrocontroller von TI dienen ferner der drahtlosen Kommunikation per Bluetooth oder Wi-Fi.

Die von der Empfangseinheit angeforderte Leistung wird auf drahtlosem Weg an die Sendeeinheit kommuniziert, die auf dieser Basis die Frequenz, Amplitude und Phase des Wechselrichters einstellt. Entscheidend ist auch die Zuverlässigkeit der Kommunikationsverbindung zur Sendeeinheit, da bestimmte kritische System-Algorithmen beispielsweise zur Fremdobjekt-Erkennung auf Informationen von der Sende- und Empfangsseite zurückgreifen, um Informationen wie etwa den Wirkungsgrad zu vergleichen.

(prm)