Wireless Power Transfer Sicherheit und Konformität

Chancen und Herausforderungen

Wie jede andere Technik, bringt auch die kontaktlose Energieübertragung zum Laden von Akkus ihre spezifischen Restriktionen mit sich. Im Fall der induktiven kontaktlosen Energieübertragung haben die gängigsten Einschränkungen mit der Distanz und den physikalischen Grenzen der zur Energieübertragung verwendeten Spule zu tun. Nachdem die technische Implementierung einer stabilen und verlässlichen Energieübertragung für kleine bis mittelgroße Geräte, z.B. Funk-Kopfhörer und Mobiltelefone, standardisiert wurde, verlagert sich der Fokus nunmehr darauf, Nutzern einen höheren Komfort und eine höhere Zuverlässigkeit bei gleichzeitig vereinfachter Anwendung zu bieten.

Die meisten Gerätehersteller würden die wichtigsten Vorteile der kontaktlosen Energieübertragung unter den Überschriften »verbesserte Nutzererfahrung« und „bessere Möglichkeiten zum Kapseln von Geräten durch das Fehlen mechanischer Steckverbinder“ zusammenfassen. Im Endeffekt bedeutet dies:

  • ein geringeres Verschleißrisiko – da mechanische Steckverbinder eine kritische Ausfallursache darstellen,
  • mehr Freizügigkeit beim Produktdesign – da keine Restriktionen durch Steckverbinder mehr bestehen und
  • bessere Möglichkeiten, das Gerät gegen Wasser und Staub zu schützen.

Jederzeit den Akku nachladen

Langfristig aber dürfte der entscheidende Pluspunkt der kontaktlosen Energieübertragung darin bestehen, dass den Anwendern die Sorge genommen wird, ob der Akku ihres Mobiltelefons noch so lange Energie für den Betrieb liefern kann, bis sie es an ein Ladegerät anschließen können. Mit zunehmendem Ausbau der Infrastruktur wird es praktisch überall Lademöglichkeiten geben, verbunden mit dem Vorteil der Kommunikationsschnittstelle, die sich durch die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten ergibt.

Wenn Smartphones an eine Energiequelle im Auto, im Büro oder in einem Café angeschlossen werden, ist die damit einhergehende Möglichkeit für die Benutzer, sich mit ihrer Umgebung zu verbinden, für zahlreiche Anwendungsfälle von Interesse.

Eine denkbare Anwendung ist beispielsweise das automatische Aktivieren der passenden Sitz- und Spiegeleinstellung, wenn der Fahrer sein Mobiltelefon in der Ladeschale seines Autos ablegt. Im Büro könnte das Mobiltelefon die Schreibtischhöhe und die Beleuchtung nach den individuellen Vorlieben einstellen, sobald es zum Laden abgelegt wird. Gleichzeitig könnte eine Meldung an den Kollegen gesendet werden, dass man aus der Kaffeepause zurück ist und wo man sich befindet – wenn die Arbeitsplätze im Unternehmen flexibel genutzt werden.

Im Lieblings-Café erfährt die Bedienung sofort, an welchem Tisch ein Stammgast Platz genommen bzw. sein Mobiltelefon zum Laden abgelegt hat und kann gleich den gewohnten Kaffee bringen. Das spart Zeit und ermöglicht einen persönlicheren Service.

Als Bonus könnte ein Sonderangebot auf das jeweilige Tagesgebäck gewährt werden. Parallel zu all diesen Komfortfunktionen würde das Ladegerät dafür Sorge tragen, dass der Akku des Mobiltelefons stets maximal geladen und einsatzbereit ist.

Laden und mit der Lade-Infrastruktur kommunizieren

Angesichts der immer zügigeren Bereitstellung der Infrastruktur für Wireless Charging erscheinen immer mehr Anwendungsgebiete, und mit ihnen auch neue Anforderungen. Heutzutage ist der vollständig geladene Akku eines Mobiltelefons bei intensiver Nutzung nach einigen Stunden leer. Wenn die GPS-Funktion und die Bluetooth-Verbindung aktiv sind, reicht ein Laden mit 5 W somit möglicherweise nicht aus.

Dies hat zur Einführung und Standardisierung höherer Ladeleistungen geführt, nicht nur bis 15 W, um dem höheren Leistungsbedarf von Smartphones zu genügen. Auch noch höhere Leistungsstufen werden spezifiziert, um Geräte wie Laptops, Akkuwerkzeuge, Küchengeräte und Automobile zu berücksichtigen. Mit diesen, mehr Leistung erfordernden Anwendungen, kommen weitere Anforderungen auf die Entwickler zu, die vom Bedarf des Benutzers diktiert werden.

Beispielsweise ist es wahrscheinlich, dass ein Benutzer seinen Laptop während des Ladens benutzt. Gleichzeitig wird er sich aber mehr Freiheit bei der Positionierung des Geräts wünschen. Bei Küchengeräten und Automobilen besteht dagegen ein gesteigerter Bedarf nach höherem Wirkungsgrad und umfangreicherer Kommunikation, da das höhere Leistungsniveau eine größere Gefahr für andere Geräte und die äußere Umgebung mit sich bringt. Diese neuen Herausforderungen erhöhen den Druck zur Optimierung der technischen Leistungsfähigkeit bei kontaktloser Energieübertragung.

Seit der Einführung der kontaktlosen Energieübertragung in die Mainstream-Elektronik sind die tatsächlichen oder subjektiv wahrgenommenen Risiken im Zusammenhang mit der neuen Technik ein großes Diskussionsthema. Die meisten Branchenexperten sind sich heute einig, dass die größte Gefahr in der Wärme liegt, die bei der Übertragung von Energie von PTx nach PRx in »freundlichen Metallen« und Fremdobjekten erzeugt wird.

Es gibt zwar eine ganze Reihe bestens bekannter Methoden, mit diesem Thema umzugehen, jedoch gibt es Komplikationen im Zusammenhang mit der Interoperabilität und Koexistenz mit der Umgebung. Diese Themen werden zudem durch den wachsenden Leistungsbedarf immer dringlicher, und nicht zuletzt besteht die stete Notwendigkeit, Sicherheit und Leistungsfähigkeit miteinander in Einklang zu bringen.

Vorteile der Standardisierung

Die beiden wichtigsten Zielsetzungen des Qi-Standards für die kontaktlose Energieübertragung sind das Sicherstellen der Interoperabilität, damit beliebige Qi-fähige Geräte von beliebigen Qi-Ladegeräten geladen werden können, sowie das Gewährleisten der Betriebssicherheit – sowohl für die Anwender als auch für die Geräte selbst.

Schließlich möchte kein Unternehmen zur Rechenschaft gezogen werden, weil eines seiner Geräte ein Unglück verursacht, sei es mit einem Produkt derselben Marke oder einem anderen standardkonformen Gerät. Um die Einhaltung beider Ziele zu gewährleisten, definiert der Qi-Standard einige Regeln:

  • Alle konformen Sender und Empfänger müssen dieselbe Sprache sprechen.
  • Alle Geräte müssen sich auf dieselbe Kalibrierbasis beziehen und dieselbe Leistung messen.
  • Alle Geräte müssen innerhalb derselben Grenzen arbeiten.

Würden sich die Unternehmen entscheiden, Geräte mit proprietärer Technik zur kontaktlosen Energieübertragung herzustellen, anstatt weiter an der Entwicklung eines universellen Standards zu arbeiten, würde die Vielzahl der inkompatiblen Sender und Empfänger die Anwender verwirren und ihre Erfahrungen in der alltäglichen Handhabung negativ überschatten.

Um Interoperabilität mit proprietären Systemen zur kontaktlosen Energieübertragung zu erreichen, würden Komplexität und Kosten der Produktentwicklung steigen. Schließlich müssten die Entwickler in diesem Fall erheblichen Aufwand treiben, um die Interoperabilität ihrer Produkte sicherzustellen.

Proprietäre Systeme zur kontaktlosen Energieübertragung würden außerdem die Akzeptanz bei Verbrauchern dämpfen und ihre Bereitschaft zum Kauf entsprechender Produkte senken, da sich die Konsumenten nicht sicher sein können, ob die erworbenen Geräte mit künftigen Produkten interoperabel sein werden.

Vielleicht noch bedeutsamer ist allerdings der Sicherheitsaspekt, da Nicht-Standard-konforme Produkte mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Gefahr für die Anwender und die Umgebung darstellen. Ohne ein gemeinsames Protokoll und vorgegebene Regeln für den Betrieb besteht für Sender und Empfänger keine Möglichkeit, sich auf die notwendigen Betriebsparameter zu einigen.

Sollte es dazu kommen, dass ein Sender zwar nicht korrekt mit dem Empfänger kommunizieren kann, aber trotzdem die Energieübertragung startet, könnten die Folgen katastrophal sein. Wenn ein PRx nur eine bestimmte Energiemenge entgegennehmen kann und beispielsweise 5 W anfordert, der PTx aber wesentlich mehr Leistung, z.B. 15 W, liefert, können Schaltungen überhitzen und Materialschäden entstehen.

Wird genügend Wärme erzeugt, kann der Anwender Verbrennungen erleiden, wenn er das aufgeheizte Gerät berührt, oder es kann im Extremfall sogar ein Brand entstehen. Ähnliche Folgen sind denkbar, wenn ein Fremdobjekt in den Bereich der Energieübertragung gerät (Bild 2).

Wenn PTx und PRx nicht in der Lage sind, zur Schaffung einer sicheren Umgebung zu kommunizieren oder zu kooperieren, können sie nur begrenzt feststellen, ob sich ein Fremdobjekt in der Nähe befindet und ungewollt Energie aufnimmt. Da dieses Fremdobjekt die aufgenommene Energie nicht speichern kann, würde sie sofort in Wärme umgewandelt.

Bei fehlender Kommunikation und Kooperation wäre jedes Gerät, d.h. jeder PTx und jeder PRx, allein für seine Sicherheit verantwortlich, was zu höheren Kosten und mehr Komplexität führen würde. Die Sicherheit des einzelnen Gerätes würde aber dennoch von seinem Gegenpart abhängen. Würde der Hersteller des betreffenden Gegenparts ein niedrigeres Sicherheits- oder Qualitätsniveau für ausreichend erachten, könnte dennoch dem qualitativ höherwertigen Produkt die Schuld für einen Fehler angelastet werden.

Um die Konformitätsregeln durchzusetzen, hat das WPC Testfälle definiert. Diese sollen sicherstellen, dass nur Geräte, die das Protokoll und die Anforderungen des Qi-Standards genau einhalten, das Qi-Logo tragen dürfen. Die Testfälle wurden so angelegt, dass die spezifischen Zielsetzungen und Markenversprechen des WPC hinsichtlich Interoperabilität und Sicherheit erfüllt werden.

Geräte in der Entwicklungsphase auf Sicherheit testen

Um alle vom WPC definierten Testfälle durchführen zu können, mussten neue Prüfwerkzeuge (Bild 3) entwickelt werden, da es diese bei der Gründung des Konsortiums noch nicht gab.

Zum Prüfen und Zertifizieren eines PTx muss das Test-Equipment nämlich als PRx fungieren, der den Prüfling in bestimmte Betriebsarten versetzt und dabei eine Reihe wichtiger Größen für die kontaktlose Energieübertragung misst. Umgekehrt muss das Prüfsystem zum Validieren und Zertifizieren eines PRx einen PTx emulieren und die erforderlichen Szenarien erzeugen, mit denen der Empfänger zurechtkommen muss.

Das WPC hat dazu einen Mobile Device Tester (MDT) geschaffen, mit dem sich die zum Zertifizieren eines PRx erforderlichen Konformitätsprüfungen durchführen lassen. Zur Durchführung des Zertifizierungsprozesses für den PTx wurde wiederum ein Base Station Tester (BST) definiert. Diese Prüfwerkzeuge werden von sogenannten ATLs (Authorized Test Labs), als Referenztester in den F&E-Labors von Unternehmen sowie in Produktions- sowie Qualitäts- und Prozesskontroll-Umgebungen eingesetzt. Zu den Funktionen des Testsystems für PTx zählen:

  • Durchführung hochpräziser Messungen der induktiv gesendeten bzw. empfangenen Energie.
  • Einstellung unterschiedlicher Spulenparameter (mechanisch und elektrisch).
  • Individuell anpassbare Regelungsmechanismen.
  • Individuelle Ladesituationen.
  • Mechanismen zur Erkennung von Fremdobjekten.

Als ein Mitgliedsunternehmen des WPC, das sich der Entwicklung von Compliance-Werkzeugen für die Implementierung des Qi-Standards widmet, hat das Unternehmen nok9 eine Reihe von Prüfausrüstungen wie den Referenz­tester CATS II entwickelt.

Bild 4 zeigt die Blockschaltung eines Prüfaufbaus mit einem CATS II MDT (Mobile Device Tester). Die Anordnung besteht aus einem Verarbeitungs- und Messmodul, einem resonanten induktiven Koppler und einer PRx-Spule als Prüfling. Die Prüfanordnung für den Test eines PTx zeigt Bild 5.

Vertrauen in Funktion und Sicherheit

Die Zukunft der Stromversorgung ist ohne Zweifel kabellos. Das Potenzial dieser Technik erstreckt sich von Telefonen und Laptops bis zu Küchengeräten, Beleuchtungen, Autos und selbst medizinischen Geräten und Implantaten.

So unterschiedlich wie diese Anwendungen sind auch die von ihnen gestellten Anforderungen, sodass es eine Reihe unterschiedlicher Protokolle und Spezifikationen geben dürfte.

Damit die Standards Akzeptanz finden, müssen Anwender, Hersteller und Zulieferer Vertrauen in die Technik haben. Dieses Vertrauen als wertvollste Ressource der Industrie wird stets von sicheren, standardkonformen und benutzerfreundlichen Produkten abhängig sein, denn schließlich muss die Stromversorgung nicht nur kabellos, sondern auch zuverlässig und bequem sein.

Die Betriebssicherheit wird häufig als selbstverständlich vorausgesetzt und meist erst in der letzten Entwicklungsphase eines Produkts berücksichtigt. Deshalb ist es von entscheidender Wichtigkeit, dass die Standardisierungs- und Regulierungsstellen jene Anforderungen durchsetzen, die bei den Anwendern Vertrauen schaffen und der kontaktlosen Energieübertragungstechnik die Möglichkeit geben, ihr gesamtes Potenzial auszuschöpfen.

 

Die Autoren

Kristoffer Dahl

arbeitete als Elektriker in der elektrischen Automatisierungstechnik und studierte anschließend Computertechnik. Danach wechselte Dahl in den Software-Bereich und entwickelte Apps für Mobilgeräte zur Verwaltung digitialer Schlüssel im schwedischen Gesundheitswesen. Heute arbeitet er als Software-Entwickler für nok9 und erstellt die grafische Benutzeroberfläche der Testgeräte.

kd@nok9.com

 

Lukas Leander

studiert Informatik an der Universität Lund (LTH), Schweden. Im Jahr 2015, während seines Master-Studiums in Informations- und Kommunikationstechnik, kam Leander zu nok9 um das Geschäftsfeld weiterzuentwickeln und leitete die Spezifikation. Heute arbeitet er als Spezifikationsspezialist in den Bereichen Automobil, Compliance und Sicherheit.

ll@nok9.com