Wireless Power Transfer Sicherheit und Konformität

Kontaktloser Strom für alle Konsumgeräten mit dem Qi-Standard
Sichere kontaktlose Energieübertragung für Konsumgeräte mit dem Qi-Standard

Verbraucher erwarten von kontaktlos mit Strom versorgten Geräten nach dem Qi-Standard, dass sie mit jeder Qi-Ladestation interoperabel sind und sicher geladen werden. Die Frage ist: Wie können Hersteller Interoperabilität und Betriebssicherheit gewährleisten?

Obwohl gerade erst begonnen wurde, das Potenzial der Technik zur kontaktlosen Energieübertragung auszuschöpfen, hat die Industrie über das Wireless Power Consortium (WPC) einen entscheidenden Schritt unternommen, um mit dem Qi-Standard eine einheitliche Norm für die kontaktlose Energieübertragung in Konsumgeräten zu schaffen. Die meisten bedeutenden Unternehmen im Bereich der Konsumelektronik sowie die Mehrzahl der Bauteilzulieferer in der Industrie setzen auf diesen Standard und tragen aktiv dazu bei, Qi zu einer Technik von allgemeiner Verbreitung zu machen.

Alle, die mit der kontaktlosen Energieübertragung zu tun haben, werden dies begrüßen, jedoch stellt sich die Frage, welcher Einfluss sich hieraus auf die Produktentwicklung ergibt. Welche Anforderungen kann der Markt stellen, welche Erwartungen kann er hegen, und wie können die Hersteller sicherstellen, dass ihre Produkte dem Qi-Standard, dessen Entwicklung schließlich nicht stehenbleibt, entsprechen?

Grundlagen der kontaktlosen Energieübertragung per Qi

In einem kontaktlos mit Energie versorgten System wird die benötigte oder erforderliche Menge an Energie vom Sender (Power Transmitter, PTx) an den Empfänger (Power Receiver, PRx) übertragen – und das mit hohem Wirkungsgrad und ohne dass eine physische Verbindung zwischen PTx und PRx existiert (Bild 1).

Die meisten kontaktlosen Energieübertragungssysteme bedienen sich hierfür einer Technik, die in der Industrie als induktive Energieübertragung bezeichnet wird. Grundlage hierfür ist das Magnetfeld und die induktive Kopplung zwischen zwei Induktivitäten.

Die induktive Energieübertragung funktioniert im Prinzip wie ein Transformator, dessen Primärwicklung im PTx angesiedelt ist, wogegen sich die Sekundärwicklung im PRx befindet.

Zur Energieübertragung wird ein beliebiges kompatibles Elektrogerät (PRx) auf der Sendespule (PTx) oder in dessen Nähe platziert. Die Distanz zwischen Sende- und Empfangsspule beträgt dabei zwischen 5 mm, z.B. bei einem Ladesystem für Mobilgeräte, und bis zu 4 cm, beispielsweise bei Küchengeräten.

In einem kontaktlosen Energieübertragungs-system gibt es zwei Kanäle, einen für die Energieübertragung und einen Kommunikationskanal, wobei ersterer in der Regel unidirektional, letzterer dagegen meist bidirektional arbeitet.

Unterschiedliche Standards und Anwendungsbereiche können verschiedene Varianten in Bezug auf Leistungsregelung, Kommunikation und Betriebsprotokoll nutzen, ohne von der in Bild 1 gezeigten Grundstruktur abzuweichen.

Die Energieübertragung wird normalerweise auf Anforderung des Empfängers gestartet, nachdem eine Identifikations- und Konfigurationsphase durchlaufen wurde. Diese ist nötig, damit der PTx weiß, dass sich ein zulässiger PRx in seinem Einzugsbereich befindet. Außerdem soll damit beiden Seiten die Möglichkeit gegeben werden, wichtige Sicherheitschecks durchzuführen und zu gewährleisten, dass alles für die Energieübertragung bereit ist.

Zur Klarstellung einiger dieser Konzepte hat das WPC eine bestimmte Terminologie erarbeitet.

Drei Kommunikationsprofile

Derzeit werden vom WPC drei Power-Profile unterstützt: das Baseline Power Profile (BPP), das Extended Power Profile (EPP) und das BPP mit Ergänzungen für die Fremdobjekt-Erkennung (Foreign Object Detection, FOD).

Baseline Power Profile (BPP)

Das BPP unterstützt die Übertragung bis zu 5 W und nutzt die unidirektionale Kommunikation vom PRx zum PTx. Die Kommunikation erfolgt dabei „in-band“ nach dem aus der Funktechnik bekannten Amplitudenumtastverfahren (Amplitude Shift Keying), wobei das Magnetfeld als Träger verwendet wird.

Die Modulation wird von der PTx-Schaltung erkannt und ermöglicht damit die Übertragung von Nachrichten vom PRx zum PTx, ohne dass eine zusätzliche Antenne erforderlich ist. Der Umfang der an den Sender übertragenen Informationen ist sehr gering. Unter anderem handelt es sich um Identifikations- und Konfigurationsinformationen, die vor Beginn der Energieübertragung übermittelt werden, sowie um Informationen während der Energieübertragung. Sie liefern die wichtigste Rückmeldung für die Regelung des PTx. Letzteres geschieht, um die Menge der übertragenen Energie zu regulieren und die Sicherheit der Übertragung zu überwachen.

Extended Power Profile (EPP)

Das EPP unterstützt die Übertragung von bis zu 31,5 W und verwendet eine bidirektionale Kommunikation. Ebenso wie beim BPP, überträgt der PRx seine Informationen auch in diesem Fall per Amplitudenmodulation, jedoch antwortet der PTx dem PRx mithilfe des Frequenzumtastverfahrens.

Dank dieser bidirektionalen Kommunikation können Sender und Empfänger die Modalitäten der Energieübertragung aushandeln und damit eine sicherere Betriebsumgebung schaffen, was bei größer werdenden Energiemengen immer mehr an Bedeutung gewinnt.

BPP mit Fremdobjekt-Erkennung

Die Fähigkeit des PTx potenziell gefährliche Fremdkörper zu detektieren, beispielsweise aus Metall, die sich im elektromagnetischen Feld befinden, wird als Fremdobjekt-Erkennung (Foreign Object Detection, FOD) bezeichnet. Sie muss aber nicht nur Fremdkörper erkennen können, sondern auch Abhilfemaßnahmen einleiten, beispielsweise indem der PTx die Energiemenge reduziert oder die Energieübertragung ganz abbricht, bevor sich das Fremdobjekt zu sehr erwärmt.

Zum Vergleich: Bei einem Induktionsherd wird Energie absichtlich an ein Metallobjekt, z.B. eine Bratpfanne, übertragen, indem die Energie des Magnetfeldes in Wärme umgewandelt wird. Die Erwärmung ist gewollt.

Genau das Gegenteil trifft zu, wenn Akkus in einem Gerät zum Laden kontaktlos mit Energie versorgt werden sollen. Jegliche vom PTx abgegebene Energie, die in Wärme umgesetzt wird, geht für das Aufladen des Akkus verloren und beeinträchtigt damit den Wirkungsgrad der Energieübertragung. Darüber hinaus kann die Temperaturzunahme den Ladevorgang verzögern oder, was noch schlimmer wäre, ein Sicherheitsrisiko für den Benutzer darstellen.

Wenn der PTx also nicht in der Lage ist, Fremdobjekte wie Münzen, Schlüssel, Büroklammern oder andere Metallgegenstände zwischen PTx und PRx zu detektieren, wird die Energie von dem Fremdobjekt absorbiert, das sich dadurch aufheizt (Bild 2).

Bilder: 3

Bild 2

Wie ein Induktionsherd

Das BPP mit FOD-Erweiterung ist, wie die Bezeichnung bereits andeutet, das Baseline Power Profile mit zusätzlicher Fremdobjekt-Erkennung. Reine BPP-Geräte bieten nur ein Minimum an FOD-Fähigkeiten, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die bei EPP-Geräten eingeführten Verbesserungen und zusätzlichen Funktionen sind durch FOD auch für BPP-Geräte verfügbar, wodurch sie sicherer werden.

Alle Qi-konformen Geräte arbeiten mit diesen drei Power-Profilen und sind abwärtskompatibel. Ein EPP-Empfänger kann also mit einem BPP-Sender arbeiten, jedoch stellt der Sender nur die Leistung bereit, für die er ausgelegt ist. Umgekehrt fordert ein BPP-Empfänger höchstens die Leistung von einem EPP-Sender an, für die er konzipiert ist.