Kontaktlose Energieübertragung Leistungsregelung nach Qi-Standard

Neue Leistungsregelung beim Wireless-Power Standard Qi, stellt Entwickler vor neue Herausforderrungen.
Neue Leistungsregelung beim Wireless-Power Standard Qi, stellt Entwickler vor neue Herausforderrungen.

Der Wireless-Power-Standard Qi schreibt eine Leistungsregelung vor, die Entwickler in Sendern implementieren müssen. Leider sind Wireless-Power-Systeme nicht ganz so einfach wie Leistungswandler: Die Regelung stellt Entwickler vor neue Herausforderungen.

Der vom Wireless Power Consortium (WPC) entwickelte Qi-Standard [1] zur kontaktlosen Energieübertragung berücksichtigt hinsichtlich der Leistungsregelung nur einige der Herausforderungen, denen ein Entwickler gegenübersteht. So bleiben beispielsweise Herausforderungen, die hauptsächlich mit der induktiven Kopplung zwischen den Spulen zusammenhängen, den Entwicklern überlassen.

In einem richtig ausgelegten kontaktlosen Energieübertragungssystem erzeugt der Leistungssender (PTx) exakt nur die vom Leistungsempfänger (PRx) angeforderte Leistung. Die WPC-Qi-Leistungsregelung definiert eine effektive Methode zur Steuerung der übertragenen Leistung, um der Anforderung des Empfängers zu entsprechen.

Um Energie zu übertragen, erzeugt der Leistungssender (PTx) mit seiner Sendespule ein Magnetfeld, das von der Spule des Leistungsempfängers (PRx) erfasst wird. Die in der Empfängerspule induzierte und anschließend gleichgerichtete Spannung (Ugl) hängt von der Stärke dieses Magnetfeldes ab (Faradaysches Gesetz). Je stärker das Magnetfeld, desto größer der Strom in der Sendespule – und desto höher die Verlustleistung in der Leistungsstufe des Senders.

Der Qi-Standard optimiert den Wirkungsgrad dadurch, indem er für die Leistungssender vorsieht, dass sie ein Magnetfeld generieren, dessen Stärke gerade ausreicht, um im Leistungsempfänger die gewünschte Spannung am Ausgang des Gleichrichters zu erzeugen.

Um sicherzustellen, dass die Magnetfeldstärke exakt dem Empfängerbedarf entspricht, wird eine Regelschleife benötigt (Bild 1):

  1. Die Regelabweichung (Sollwert – Istwert) wird im Leistungsempfänger festgestellt.
  2. Diese Regelabweichung wird als Nachricht an den Leistungssender übertragen.
  3. Der Leistungssender wertet die Regelabweichung aus und passt die Stärke des Magnetfeldes entsprechend an.
  4. Das veränderte Magnetfeld führt zu einer Änderung der Gleichrichterausgangsspannung im Leistungsempfänger.

Diese Regelschleife stellt aufgrund ihrer Latenz ein kritisches Problem dar. Tatsächlich enthält diese Regelschleife eine gewisse Verzögerung. Sowohl die Nachrichtenübertragung (2.) als auch die Änderung der Magnetfeldstärke des Leistungssenders (4.) benötigen Zeit, bis sich auf der Empfängerseite ein stabiler Zustand einstellt.

Für eine stabile Funktion muss die Regelschleife langsam sein und eine langsame Regelschleife kann eine korrekte Regelung der Gleichrichterausgangsspannung im Leistungsempfänger erschweren.

Der Qi-Standard löst das Latenzproblem der Regelschleife mit einem zweiten schnelleren Regelkreis (Bild 2), der eine Metrik auf der Senderseite verwendet. Um stabil zu arbeiten, muss sich diese Metrik auf der Senderseite ähnlich auf die Gleichrichterausgangsspannung im Leistungsempfänger auswirken – zumindest für eine begrenzte Variation des Sendmagnetfelds. Die im Qi-Standard gewählte Metrik ist der Strom in der Sendespule. Da die Stromstärke der Sendespule im Leistungssender erfasst wird, kann ein schneller Regelkreis vollständig auf der Senderseite (Schritt 4, siehe unten) mit einer Proportional-, Integral- und Differentialregelung (PID) betrieben werden.

Die derart erweiterte Regelschleife (Bild 2) arbeitet in fünf Schritten:

  1. Die Regelabweichung (Sollwert – Istwert) wird im Leistungsempfänger festgestellt.
  2. Diese Regelabweichung wird als Nachricht an den Leistungssender übertragen.
  3. Der Leistungssender berechnet ein zu erreichendes Ziel (Sollwert) anhand seiner lokalen Metrik basierend auf der vom Leistungsempfänger gemeldeten Regelabweichung.
  4. Der Leistungssender passt die Stärke des Magnetfeldes über einen lokalen PID-Regler an. Diese lokale Regelschleife wird über einen Vergleich des lokal gemessenen Istwerts (Spulenstromstärke) mit dem Ziel (Sollwert) geschlossen.
  5. Das geänderte Magnetfeld sollte es dem Leistungsempfänger ermöglichen, mit der Gleichrichterausgangsspannung den Sollwert zu erreichen.

Um den Regelkreis zu schließen, muss das Magnetfeld des Leistungssenders steuerbar sein. Zur Steuerung des Magnetfeldes eignen sich vier Größen, die in einer Schaltung leicht variiert werden können:

  • die Betriebsspannung für den Resonanzkreis,
  • die Frequenz,
  • das Tastverhältnis und
  • die Phase beim Einsatz eines Vollbrückenwechselrichters.

Diese Steuerungsmethoden können in der Sendeschaltung auch gemischt eingesetzt werden, um den geforderten Arbeitsbereich abzudecken.