Wireless Power Küchengeräte ohne Netzkabel – Küchen ohne Steckdose

Für Küchengeräte wie Wasserkocher werden deutlich höhere Leistungen benötigt als zum Laden von Smartphone-Akkus. Zudem muss das Wireless-Power-System nicht nur die Anforderungen zur Funktion erfüllen, sondern auch nicht funktionsbezogene Anforderungen eines Küchengeräts, z.B. hinsichtlich der EMV.

Die in einer Wireless-Power-Küche verwendeten Geräte haben keine Kabel, sodass die Leistungsübertragung »durch die Luft« erfolgen muss – mit hohem Wirkungsgrad und über eine Distanz von wenigstens 4 cm. Hierfür wird eine induktiv arbeitende Energieübertragung benötigt, mit einem Sender unterhalb der Küchenarbeitsplatte und einem Empfänger im jeweiligen Gerät. Und neben dem System für die induktive Leistungsübertragung ist das kabellose Gerät auch mit einem Kommunikationskanal ausgestattet.

Viele Sender-Schaltungen erfüllen die funktionalen Anforderungen des induktiven Energieübertragungs-Systems, was beispielsweise die Höhe der übertragbaren Leistung, den Wirkungsgrad usw. betrifft. Allerdings erfordert die Einhaltung der nicht funktionsbezogenen Anforderungen, z.B. in Sachen EMI, meist mehrere Entwicklungsänderungen (Iterationen).

Zurzeit dürfte ein Sender auf Basis des Serienresonanz-Prinzips die erste Wahl sein, weil er relativ einfach zu verstehen ist und die funktionalen Anforderungen der kontaktlosen Energieübertragung in einer Küche mit Leichtigkeit erfüllt. Allerdings hat ein Serienresonanz-Sender auch Nachteile. Um sie zu minimieren wurde eine neue Schaltung entwickelt, die sich besser für Küchengeräte eignet.

Wireless Power in der Küchenarbeitsplatte

Ein Wechselstrom, der eine Spule durchfließt, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Wird eine weitere Spule in der Nähe der ersten angeordnet, so koppelt das magnetische Wechselfeld in diese zweite Spule ein, weshalb eine solche Spulenanordnung als induktiver Koppler bezeichnet wird.

In einer Wireless-Power-Küche besteht dieser induktive Koppler aus einer Sendespule und einer mit ihr gekoppelten Empfangsspule. Die Sendespule wird unterhalb der Küchenarbeitsplatte platziert, die Empfangsspule befindet sich im jeweiligen Elektrogerät (Bild 1). Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, nutzt das System zwei Kanäle: einen Stromversorgungs- und einen Kommunikationskanal. Die Leistungsübertragung erfolgt auf dem Stromversorgungskanal, der Kommunikationskanal dient dem Daten- oder Informationsaustausch.

Energieübertragung und Kommunikation werden mit einer Entfernung zwischen den Spulen von bis zu 4 cm durchgeführt. Im Interesse eines größtmöglichen Wirkungsgrads wird in dem induktiven Koppler das Resonanzprinzip genutzt, wofür verschiedene Schaltungen, d.h. Kombinationen von Spulen (L) und Kondensatoren (C) in Frage kommen. Jede Schaltung basiert auf einem bestimmten Funktionsprinzip, das abhängig vom Verwendungszweck seine spezifischen Vor- und Nachteile hat.

Populäre Schaltung mit Nachteilen

Die Schaltung der aktuell bevorzugten induktiven Energieübertragung ist in Bild 2 zu sehen. Es arbeiten sowohl Sender als auch Empfänger nach dem Serienresonanz-Prinzip. Bei dem Sender in Bild 2 handelt es sich im Prinzip um eine AC/AC-Wandlerstufe.

Ausgehend von einer Gleichspannung am Eingang (UE), die durch Gleichrichten der Netzspannung entsteht, wird daraus eine Wechselrichterstufe und ein Schwingkreis in Serienschaltung, bestehend aus einer Sendespule (L1) und einem Kondensator (C1).

Der Empfänger (Tx) setzt sich aus der Empfängerspule (L2) und einem Kondensator (C2) zusammen, die mit der Last (RL) in Serie geschaltet sind. Wenn der Sender (Tx) eingeschaltet wird, ohne dass es zu einer Kopplung (k) kommt, arbeitet der Sender mit seiner natürlichen Resonanzfrequenz (fTx). Auch der Empfänger (Rx) hat ohne Kopplung (k) seine natürliche Resonanzfrequenz (fRx).

In der Praxis werden fTx und fRx gleich gewählt [1]. Der Kopplungsfaktor (k) zwischen Sende- und Empfangsspule liegt etwa zwischen 0,1 und 0,35. Deshalb hat das gesamte induktive Energieübertragungssystem eine bestimmte natürliche Resonanzfrequenz (fr) oder auch zwei natürliche Resonanzfrequenzen (fr1, fr2). Bei niedrigen Kopplungsfaktoren werden fTx und fRx zu einer einzigen Resonanzfrequenz fr vereint, bei höheren Kopplungsfaktoren dagegen bewegen sich die beiden Frequenzen fTx und fRx voneinander weg, sodass zwei separate Resonanzfrequenzen fr1 und fr2 entstehen.

Optimaler Arbeitspunkt

Die Wechselrichterstufe des Senders kann bei verschiedenen Arbeitspunkten (AP) – Frequenzen (fAP) – arbeiten. Die Wahl des optimalen Arbeitspunkts für den Wechselrichter ist insofern von großer Bedeutung, als der hochfrequente Wechselstrom mithilfe der Leistungs-Schalttransistoren auf die Sendespule gegeben wird. Deshalb muss sichergestellt werden, dass die Leistungstransistoren im Spannungs-Nulldurchgang schalten (Zero Voltage Switching, ZVS), damit es in der Wechselrichterstufe zu keinen steilen Spannungsflanken kommt. Der optimale Arbeitspunkt wird in diesem Falle dort angesetzt, wo der Wirkungsgrad sein Maximum erreicht und der Eingangsstrom IL1 der Brückenspannung des Wechselrichters (ULH,RH) geringfügig nacheilt. Auf mathematischem Weg und mit den genauen Werten der in Bild 2 gezeigten Bauelemente lässt sich die optimale Betriebsfrequenz der Wechselrichterstufe des Senders ermitteln [2].

Bei der Serienresonanz-Schaltung ist es möglich, die Frequenz (f) mithilfe einer Frequenzregelschleife zu variieren, um der Energieübertragung den größtmöglichen Wirkungsgrad zu verleihen. Außerdem kann bei einer bestimmten Frequenz die übertragene Leistung durch Variieren des Tastverhältnisses (TV) verändert werden. Bild 3 zeigt die an der Sendespule liegende Spannung, wenn fAP < fr1, fAP = fr1 und fAP > fr1 – jeweils im Gegentaktbetrieb bei dem die Schalter S1 und S4 sowie S2 und S3 gleichzeitig schalten.

Aus den in Bild 3 dargestellten Kurvenformen ist klar ersichtlich, dass in allen drei Fällen hohe dU/dt-Werte, d.h. sehr steile Spannungsflanken zu beobachten sind. Diese steilen Spannungsflanken können ein elektrisches Wechselfeld zwischen dem Knoten, an dem die Flanken auftreten, und umgebenden elektrisch leitenden Bauteilen erzeugen, was eine gewisse kapazitive Kopplung zur Umgebung bewirkt. Hierdurch können Gleichtaktströme vom Schaltwandler an die Umgebung und über das Stromnetz zurück in den Schaltwandler fließen, was das Aussenden von Gleichtaktstörsignalen zur Folge hat. Es gibt zwar viele Möglichkeiten, diese elektromagnetischen Interferenzen (EMI) einzudämmen, jedoch erfordern diese Maßnahmen zusätzliche teure Bauelemente, z.B. Filter.