Wireless Charging NFC oder Qi für Wearables?

Sowohl Qi als auch neuerdings NFC eignen sich für das kabellose Laden. Eine Studie hat beide Ansätze in einer Messreihe miteinander verglichen, wenn es um das Laden kleiner akkubetriebener Geräte – beispielsweise Wearables – unter 1 W geht. Was ist dabei herausgekommen?

Nahfeldkommunikation (Near Field Communication, NFC) ist in den Bereichen Bezahlverfahren, öffentlicher Nahverkehr, Zutrittsmanagement und Gerätekopplung weit verbreitet. Jeder große Smartphone-Hersteller verfügt mittlerweile darüber – sowohl iOS- als auch Android-Geräte. Nach einer Marktstudie von ABI stieg die Zahl der NFC-fähigen Geräte bis Ende 2018 auf 2 Milliarden Einheiten [1]. Dank ihrer intuitiven Benutzerführung und ihres kleinen Formfaktors sind es insbesondere tragbare Geräte, die diese Funktechnologie nutzen.

Die kontaktlose Energieübertragung und Aufladung hat eine Reihe von Anwendungsbereichen erschlossen und eröffnet dem Verbraucher ein neues Maß an Benutzerfreundlichkeit. Qi war als Standard des Wireless Power Consortium (WPC) ausschlaggebend dafür, dass erste Anwendungsfälle – etwa das kabellose Laden von Mobiltelefonen und Laptops – vereinfacht wurden. Mit dem Aufkommen des Internet der Dinge (IoT) entstehen nun neue Anwendungsfälle für das kabellose Laden, insbesondere im Bereich kleiner akkubetriebener Geräte.

Vor kurzem veröffentlichte das NFC-Forum daher eine Kandidatenspezifikation für das kabellose Laden von Geräten geringer Leistung und kleinen Formfaktoren, um die bestehenden WPC-Standards für höhere Leistungsklassen zu ergänzen. Dieser folgende Bericht analysiert beide Systeme in ihrer raumbezogenen Leistungsfähigkeit und vergleicht kommerziell erhältliche Qi-Ladelösungen für Wearables, also tragbare Konsumelektronik wie intelligente Uhren oder elektronische Fitnessbändern mit einem Leistungsniveau von bis zu 0,5 W. Die Ergebnisse dieser Forschung basieren auf Parametern wie Spulenvolumen der Energieübertragungsantennen, Wirkungsgrad, Betriebsreichweite und Transaktionsgeschwindigkeit.

Technisches Prinzip

Sowohl Qi als auch NFC basieren auf der induktiven Kopplung [3]. Dieses Prinzip nutzt zwei HF-Antennen oder -Spulen zur drahtlosen Leistungsübertragung: eine Senderantenne in einer Ladevorrichtung und eine Empfangsantenne in dem zu ladenden Gerät (Bild 1). Das miteinander gekoppelte elektromagnetische Feld bildet sich aus, wenn die Sender- und Empfangsantennen nahe beieinander positioniert sind. Senderseitig liefert eine Stromversorgung elektrische Energie, die die Sendeantenne mithilfe eines Funkchips in ein elektromagnetisches Feld umwandelt. Das elektromagnetische Feld koppelt in der Empfangsantenne ein und ein Empfängerchip wandelt dies in elektrische Energie und lädt den Akku.

Wie schon angesprochen, haben sich im Wesentlichen zwei Standardisierungsbemühungen herauskristallisiert, um kabellose Stromversorgungslösungen über einen Leistungsbereich von unter 1 W bis zu einem Leistungsniveau von 2000 W zu harmonisieren (Bild 2). Das WPC entwickelt Standards für drei verschiedene Leistungsklassen. Die Leistungsklasse PC0 umfasst Anwendungen von 5 W bis 15 W, darunter Mobiltelefone, Bluetooth-Lautsprecher und fahrzeuginterne Lademöglichkeiten. Die Leistungsklasse PC1 umfasst Anwendungen von 30 W bis 65 W, die elektrische Werkzeuge, tragbare Computer und das Laden von Robotern unterstützen. Die dritte Kategorie PC2 umfasst Anwendungen von 200 W bis 2000 W, hauptsächlich zur Unterstützung des Konzepts der kabellosen Küche [7,8]. Ergänzend zu dieser Klassifizierung veröffentlichte das NFC-Forum eine Norm für Anwendungen mit einer Leistung von bis zu 1 W, um insbesondere die Ladung kleiner Geräte zu definieren und zu regulieren [9].