Standardisierte Ladetechnik Kontaktlos Akkus laden

Heutzutage gibt es bereits eine Vielzahl von kontaktlosen Ladesystemen zu kaufen. Hierbei handelt es sich jedoch um proprietäre Implementierungen, bei denen keine Interoperabilität von Endgerät und Ladestation jenseits des jeweiligen Systemherstellers möglich ist. Durch eine standardisierte Implementierung für verschiedene portable Endgeräte ließe sich die Zahl der unterschiedlichen Ladegeräte in einem Haushalt signifikant reduzieren und die Gesamtenergiebilanz verbessern. Ein solcher Standard ist das Ziel des »Wireless Power Consortium«.

Laut einer Studie von IHS iSupply soll der Umsatz für kontaktlose Ladetechniken von 77,6 Mio. US-Dollar (2009) auf 23 Mrd. US-Dollar (2015) ansteigen.

Vielfältige Einsatzgebiete sind denkbar, beispielsweise Smartphones, MP3-Spieler, 3D-Brillen, Implantate, Hörgeräte, Theodolite, Bohrmaschinen und Sportcomputer.

Durch die kontaktlose Energieübertragung ergeben sich teilweise völlig neuartige Ansätze der Produktkonzeption. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines auf induktiver Koppelung beruhenden Energieübertragungssystems. Die Sendespule L1 und die Empfängerspule L2 stellen ein magnetisch gekoppeltes System dar.

Angeregt mit einer Wechselspannung erzeugt L1 ein magnetisches Feld, das L2 durchdringt und eine Spannung in diese induziert. Diese Spannung kann nun gleichgerichtet und als Systemspannung verwandt werden.

Die Effizienz der Energieübertragung hängt von der Güte der Spulen (Q) und dem gegenseitigen Kopplungsfaktor (k) ab. Der Kopplungsfaktor wiederum wird durch den Abstand der beiden Spulen (z) und die relative Spulengröße (D2/D) bestimmt.

Auch die Form der Spulen und deren Winkel zueinander beeinflussen den Kopplungsfaktor. Wie in Bild 2 zu sehen, nimmt die Effizienz sowohl bei größeren Abständen (z/D > 1) als auch bei stark abweichenden Spulengrößen signifikant ab. Gute Effizienz (über 90%) erzielt man nur bei geringem Abstand (z/D < 0.1) und vergleichbarer Größe (D2/D = 0,5 bis 1) der beiden Spulen. Für Systeme, die kontaktlose Energieübertragung im Nahfeld und zusätzlich resonante Kopplung nutzen, lassen sich Effizienzwerte realisieren, die vergleichbar mit herkömmlichen Ladegeräten sind.

Abschirmmaßnahmen sind für eine sichere, störungsfreie und effiziente Funktion entscheidend. Das Magnetfeld könnte sonst sowohl das eigene System als auch andere in der Nähe befindliche Systeme stören oder auch Wirbelströme in metallische Objekte induzieren, was die Systemeffizienz verringert. Die Batterie könnte sich unzulässig erhitzen und nicht mehr aufge- oder entladen werden können.

Um nun die Zahl der kontaktlosen Ladesysteme überschaubar zu halten, arbeiten Organisationen wie das »Wireless Power Consortium«, kurz WPC, daran, einen international akzeptierten Standard für kontaktlose Energieübertragungstechnik zu etablieren. Zertifizierte, mit dem »Qi«-Logo gekennzeichnete Endgeräte ermöglichen aufgrund der garantierten Interoperabilität ein Aufladen an beliebigen kompatiblen Ladestationen. So werden in den USA über Verizon mittlerweile zum Qi-Standard konforme Mobiltelefone und Ladestationen von Samsung (»Droid«), LG (»Revolution«) und HTC (»Thunderbolt«) vertrieben.

Der Standard unterscheidet drei Leistungsklassen. Die erste Spezifikation für Endgeräte unter 5 W ist verabschiedet, Erweiterungen werden kontinuierlich eingepflegt. Arbeiten an der Spezifikation für Endgeräte unter 125 W haben begonnen, ein Standard für größere Leistungen ist geplant.

Die Basisstation besteht aus einem oder mehreren Sendern. Die portablen Endgeräte enthalten einen Empfänger, welcher der angeschlossenen Last die übertragene Energie in geeigneter Form bereitstellt.

Durch ein einfaches Kommunikationsprotokoll können portable Endgeräte die Energieübertragung regeln. Im Empfänger wird die empfangene Energie ermittelt und mit der angeforderten (Arbeitspunkt am Systemausgang, z.B. Ladespannung und -strom) verglichen. Im Falle der Abweichung fordert der Empfänger mehr oder weniger Energie an.

Der Sender passt nun seine Sendeleistung entsprechend der empfängerseitigen Anforderung an. Einen Systemüberblick zeigt Bild 3.