Schnell, einfach, unterwegs Kabelloses Laden im Auto

Immer mehr OEMs werden im Auto benötigt um induktives Laden von Mobilgeräten zu ermöglichen. Welche Herausforderung es in der Entwicklung und der zukünftigen Technologie gibt, erfahren Sie hier.
Immer mehr OEMs werden im Auto benötigt um induktives Laden von Mobilgeräten zu ermöglichen. Welche Herausforderung es in der Entwicklung und der zukünftigen Technologie gibt, erfahren Sie hier.

Das induktive Laden von Smartphones im Auto wird immer beliebter. Daher verbauen immer mehr OEMs induktive Ladestationen. Welche Herausforderungen es bei der Entwicklung dieser Technologie gibt und wie die Zukunft der Smartphone-Nutzung im Fahrzeug aussieht, zeigt dieser Beitrag.

Smartphones sind aus dem Alltag vieler Menschen nicht mehr wegzudenken. Laut einer Studie von Ericsson wird es bereits nächstes Jahr weltweit rund 6,1 Milliarden Smartphone-Nutzer geben. Das entspricht etwa 75 Prozent der heutigen Weltbevölkerung. In Deutschland gab es 2018 rund 57 Millionen Smartphone-Nutzer, wobei sie in der Altersklasse der 14- bis 49-Jährigen mit einem Nutzeranteil von über 95 Prozent besonders beliebt sind.

Auch die Art, wie wir die Mobiltelefone nutzen, hat sich verändert: Waren die ersten Handys nur zum Telefonieren geeignet, sind Smartphones heute wichtige Kommunikationsgeräte im Alltag. Egal ob für Videocalls, Textnachrichten, Apps, Musikhören oder das Surfen im Internet – das Smartphone wird im Schnitt 2.617 Mal pro Tag berührt, wie eine Studie des US-Markforschungsinstituts dscout herausfand.

Stromintensive Apps zehren an der Akkubetriebsdauer

Viele Smartphonenutzer haben ihr Gerät immer bei sich und wollen es überall verwenden – auch im Auto. Studien zeigen, dass 70 Prozent der Autoinsassen beim Fahren ihr Smartphone benutzen. Dabei tätigen sie nicht nur Anrufe, sondern verwenden auch stromintensive Apps wie GPS-Navigation, Infotainment-Optionen (Podcasts, Internetradio und Playlists), sprachgesteuerte Texteingaben, Anpassungen der Fahrzeugeinstellungen (Klimaanlage und Sitzpositionen) oder den Datenaustausch mit der Cloud.

All diese Anwendungen verringern die Akkulaufzeit der Smartphones. Vor 15 Jahren reichte die komplette Aufladung eines Mobiltelefons für etwa eine Woche. Heute beträgt die durchschnittliche Akkulaufzeit nur einen Tag.

Dabei ist noch nicht einmal die Ausweitung der LTE- und LTE-Advanced-Netze berücksichtigt, die mehr Energie verbrauchen wird. Das Aufladen des Smartphones im Fahrzeug wird daher umso wichtiger für die Komforterhöhung der Fahrzeuginsassen. Das Laden des Smartphones per USB im Auto ist meist ein unbequemes Prozedere – Stecker passen nicht, oft fehlt ein Adapter, das Anschließen während der Fahrt ist ein gefährliches, verkehrsgefährdendes Unterfangen, und zudem ist die Ladekapazität am USB-Anschluss häufig zu gering für eine Schnellladung. Abhilfe kann das Laden per „Wireless Charging“ bieten, welches immer mehr OEMs in ihre Fahrzeuge integrieren (Bild 1).

Aufbau der Wireless-Charging- Einheiten

Die Technik hinter dem kabellosen Laden basiert auf einer Erfindung des Visionärs Nikola Tesla, die dieser bereits im Jahr 1891 tätigte: Die drahtlose, „induktive“ Übertragung von Energie zum Betrieb von Glühlampen. Bei der induktiven Ladung – also der drahtlosen Energieübertragung wie bei einer elektrischen Zahnbürste und ihrer Basisstation – wird, ähnlich wie bei einem Standardschaltnetzteil, eine Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung umgewandelt. Der entscheidende Unterschied zum Netzteil ist, dass die im Netzteil verwendeten Spulen beim Wireless Charging im Transmitter und Receiver getrennt verbaut sind. Über den Wechselstrom in den Spulen im Sendemodul wird ein Magnetfeld mit einer Frequenz zwischen 105 kHz und 205 kHz aufgebaut. Dieses Magnetfeld überträgt Energie zum Empfangsgerät, in dem eine Spannung generiert wird. Aus dem daraus resultierenden Strom wird dann der Akku geladen.

Herausforderungen beim Wireless Charging

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die Entwicklung und Einführung kabelloser Aufladesysteme ist mit einigen Herausforderungen an die Konstruktion verbunden. Eine betrifft die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). An diese werden in Kfz-Anwendungen zu Recht strenge Anforderungen gestellt. EMV bezieht sich auf die unbeabsichtigte Erzeugung, Ausstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Energie, die unerwünschte Wirkungen auf ein elektrisches System hervorrufen kann, wie z.B. elektromagnetische Beeinflussung (EMB). Drahtloses Laden kann sich auch negativ auf das schlüssellose Zugangssystem (Keyfob) auswirken, indem unerwünschte elektromagnetische Felder erzeugt werden.

 

Die Funktion des Keyfobs darf ein kabelloses Ladesystem unter keinen Umständen durch elektromagnetische Strahlung stören. Die Herausforderung an die Konstruktion tritt noch dringender zutage, wenn der Fahrer den Keyfob auf der kabellosen Ladestation oder in deren Nähe platziert (Bild 2). Wenn sich der Keyfob während der Aufladung beispielsweise auf der kabellosen Ladestation/Plattform befindet, könnte der Schlüssel die Anfrage des Fahrzeugs nicht erkennen und daraufhin nicht antworten. Der Wagen würde somit nicht starten. Die Entwicklung fortgeschrittener EMV-Abschirmungstechniken ist eine notwendige Voraussetzung, um die Koexistenz des kabellosen Ladesystems mit dem Keyfob sicherzustellen.

Innenraum-Temperatur

Eine weitere Herausforderung für das Wireless Charging betrifft die Hitzeempfindlichkeit. Extreme Temperaturen wirken sich nicht nur auf ein Mobilgerät, sondern auch auf die Ladestation negativ aus. Die typische Betriebstemperatur für ein Mobiltelefon liegt zwischen 0 und 35 °C. Im Sommer kann der Innenraum eines Fahrzeugs, das beispielsweise auf einem sonnigen Parkplatz steht, sich jedoch weit über 35 °C erwärmen. Wenn das Ladesystem nicht entsprechend konstruiert und geschützt ist, können solche drastischen Temperaturerhöhungen Schäden verursachen, die es funktionsunfähig machen.

Wärmemanagement

Bei der drahtlosen Energieübertragung wird im Smartphone Wärme generiert, welche den Ladevorgang verlängern kann. Deswegen spielt ein optimiertes Wärmemanagement eine bedeutende Rolle bei der Reduzierung der Ladezeiten.

Effizienz

Bei der Übertragung von der Ladestation zum Telefon geht naturgemäß ein Teil der Energie verloren. Viele kabellose Ladesysteme können auch unter perfekten Bedingungen nur einen Wirkungsgrad von maximal 65 % erreichen. Molex Wireless Charger können jedoch mit einer Effizienz von 72 % aufwarten (gemessen von der Autobatterie bis zum Handyakku).

Konstruktion

Derzeitige Einheiten sind so entworfen, dass sie auf die Überbrückung von Entfernungen von bis zu 4 mm ausgelegt sind. Größere Entfernungen sind möglich, benötigen jedoch höhere Sendeenergie, was sich wiederum negativ auf die kritische EMV im geschlossenen Fahrzeug auswirkt.