Wireless Charging Komfortabel wie Funk

Per Funk Energieübertragug auf Akkus.
Kontaktlos Energie zum Laden von Akkus übertragen.

Datenübertragung per Funk ist heute eine Selbstverständlichkeit. Nun wird auch das Laden von Akkus ohne Kabel und Stecker immer gefragter. Für Wireless-Charging-Systeme stehen verschiedene Techniken zur Auswahl, doch besonders ein skalierbarer und flexibel anpassender Ansatz bietet Vorteile.

Jedes elektronische Gerät benötigt eine Stromversorgung – auch die mit dem Attribut „wireless“ vermarkten Geräte. Nur sehr wenige dieser Wireless-Geräte kommen wirklich ohne Anschlusskabel aus, da ihre Akkus meist über ein Steckernetzteil geladen werden.

Der Begriff „Wireless“ steht bisher synonym für den Datentransfer – meist per Funk. Allerdings können elektromagnetische Felder auch für die Energieübertragung genutzt werden, was den Komfort für die Nutzer erhöht. Da Kabel und Steckverbinder entfallen, gibt es weniger.

Kompatibilitätsprobleme, weniger Fehlerquellen und die Haltbarkeit der Geräte wird erhöht. Durch den Wegfall der entsprechenden Steckverbindungen können Geräte auch besser versiegelt und damit robuster werden. Ein nicht unerheblicher Vorteil, denn die Schadensstatistik für Smartphones beispielsweise besagt, dass eines von fünf Smartphones irgendwann in eine Flüssigkeit fällt. Der größte Vorteil für die kontaktlose Energieübertragung zum Laden von Akkus (Wireless Charging) ist aber der Wegfall der sperrigen Ladegeräte (Bild 1).

Herausforderungen für Entwickler

Die Hersteller mobiler Geräte streben ein universelles Energieübertragungsverfahren zum Laden der Akkus in den Geräten an. Man kann daher davon ausgehen, dass es immer mehr kompatible öffentliche Ladestationen geben wird. In Flughäfen, Hotels, Veranstaltungsgebäuden, Schnell-Restaurants und -Kaffees oder an ähnlichen Orten.
Die meisten Ladegeräte sind Schaltnetzteile, die von ihren Entwicklern allerdings ein gutes Verständnis der magnetischen Eigenschaften erfordern – sie gehen für einige Entwickler stark in Richtung „Alchemie“.

Die kontaktlose Energieübertragung zum Akkuladen basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie Schaltnetzteile – außer, dass hier der Transformator zwischen der Primärseite (Ladegerät) und der Sekundärseite (Mobilgerät) aufgeteilt wird. Damit ändert sich auch die Terminologie: Die Primärseite wird zum Sender und die Sekundärseite wird zum Empfänger. Die Primärseite oder der Sender ist ein mehrstufiger AC/AC-Wandler, der ein veränderbares magnetisches Feld in einer magnetischen Sendespule erzeugt. Auf der Sekundär- oder Empfängerseite wird das Feld von der Empfangsspule erfasst und die in ihr induzierte Spannung gleichgerichtet.

Abhängig von dem für den Empfänger geforderten Wirkungsgrad kann die Gleichrichtung passiv mittels Dioden oder aktiv mit Hilfe von MOSFETs erfolgen. Diese Gleichrichterfunktion können beispielsweise die bereits für den Einsatz in Smartphones angebotenen Stromversorgungs-IC übernehmen, indem sie die erforderlichen Dioden und MOSFETs bereitstellen.

Bei der kontaktlosen Energieübertragung haben die Spulen und deren Kopplung einen größeren Einfluss auf die Gesamtleistung als bei einem Schaltnetzteil. Da die Primär- und Sekundär-Wicklungen weiter voneinander entfernt sind, als bei einem Schaltnetzteil, ist die Kopplung schwächer. Allerdings kann trotzdem ein guter Kopplungsfaktor erreicht werden, mit einem relativ hohen Wirkungsgrad für die Energieübertragung.

Höhere Sicherheitsanforderungen

Entwickler von kontaktlosen Energieübertragungssystemen müssen auch immer die funktionale Sicherheit betrachten. Hier kann das Spannungsfeld aus gewünschtem Wirkungsgrad, mechanischem Gehäuse und elektromagnetische Störaussendung zu einer wirklichen Herausforderung werden. Aber das sind nicht die einzigen Schwierigkeiten, die Entwickler bewältigen müssen.

Auch das thermische Verhalten muss berücksichtigt werden. Fremdobjekte oder metallische Gegenstände am oder gar innerhalb des Empfängers können durch induzierte Wirbelströme stark erhitzt werden. Nur ein Übertragungssystem, das mit Blick auf Resonanz perfekt abgestimmt ist, ist für derartige Effekte weniger empfindlich.

Die Nähe zu magnetischen Feldern kann für Menschen unter bestimmten Bedingungen schädlich sein. Daher müssen die Sender geschirmt werden, um das magnetische Feld nur auf den zur Energieübertragung erforderlichen Bereich zu beschränken und Abstrahlungen in andere Richtungen zu begrenzen – eine weitere Herausforderung für Entwickler kontaktloser Energieübertragungssysteme. Außerdem sollte das magnetische Feld so geführt werden, dass die magnetische Feldstärke rasch mit der Entfernung zur Sendespule abnimmt.