Kontaktlose Energieübertragung Sicherheitstechniken im Qi-Standard

Mit dem QI-IStandard laden wir nicht nur kabellos die Mobilgeräte auf. QI-Standard des WPC hat ein mehrstufiges Sicherheitskonzept.
Mit dem QI-Standard lassen sich die Akkus von Mobilgeräten kabellos laden.

Um Akkus in Mobilgeräten ohne Kabel zu laden, hat sich im Bereich bis 15 W der Industriestandard Qi des Wireless Power Consortiums etabliert. Der Qi-Standard adressiert aber nicht nur die Interoperabilität, sondern hauptsächlich die elektrische Sicherheit – mit einem mehrstufigen Sicherheitskonzept.

Die kontaktlose Energieübertragung wird schon wesentlich länger in der Automatisierungs- bzw. Produktionstechnik eingesetzt, als womöglich bekannt. Typische Einsatzgebiete waren und sind fahrerlose Transportsysteme, in der Krantechnik und beispielsweise in der Reinraumtechnik, d.h. immer dort, wo eine Kabelnachführung oder der Schleifkontakt technisch schwierig umzusetzen oder unerwünscht sind.

Diese Einsatzgebiete sind in der Regel auf dem Firmengelände und können durch entsprechende Arbeitsschutzmaßnahmen abgesichert werden. Etwas anders ist es mit dem Wireless Charging von Smartphones, wie es Samsung, Google, Apple und andere Hersteller anbieten. Ob zu Hause, am Arbeitsplatz, unterwegs im Auto, im Hotel oder am Flughafen – die Nutzung der kontaktlosen Ladetechnik sollte für die Anwender, unabhängig von der Umgebung, so sicher und so angenehm wie möglich sein.

Die Übertragungstechnik nach dem Qi-Standard des Wireless Power Consortiums (WPC [1]) basiert auf magnetischer Induktion, d.h. ein magnetisches Wechselfeld wird auf der Senderseite (Transmitter) erzeugt und induziert auf der Empfängerseite (Receiver) eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird anschließend gleichgerichtet und beispielsweise durch einen Linearregler auf eine feste Ausgangsspannung stabilisiert.

Besonders sicherheitsrelevant ist das magnetische Wechselfeld, das insbesondere in Metalllegierungen Wirbelströme induziert. Abhängig von den Materialparametern, der magnetischen Flussdichte und der Arbeitsfrequenz kann sich das Material unterschiedlich schnell erwärmen. Was auf dem Induktionskochfeld erwünscht ist, ist beim Wireless Charging unerwünscht.

Der Qi-Standard des WPC

Ein Grundgedanke des Qi-Standards ist die Interoperabilität, d.h. unabhängig vom Hersteller soll jeder Qi-Sender mit jedem Qi-Empfänger sicher und benutzerfreundlich funktionieren. Die Sicherheit ist im Standard kontinuierlich weiterentwickelt und erweitert worden. Seit dem Qi-Standard V1.2 wird zwischen zwei Moden unterschieden: dem sogenannten BPP (Baseline Power Profile) bis 5 W und dem EPP (Extended Power Profile) bis 15 W.

Im Qi-Sender ist ein mehrstufiges Sicherheitskonzept in der Schaltungstechnik und Firmware integriert, um aus den verschiedenen Signalstärken und -formen den Leistungsfluss vorab zu konfigurieren, zu regeln bzw. ggf. auch abzuschalten. Ein typischer Qi-Sender besteht immer aus einem Wechselrichter, einem Mikrocontroller, einem Demodulator und diversen Messpunkten, an denen Größen wie z.B. Spannung, Stromstärke, Temperatur usw. erfasst werden.

Der Qi-Empfänger beinhaltet immer einen synchronen Gleichrichter, einen Messpunkt und einen Linearregler. Zusätzlich verfügt er über eine Kommunikationsschnittstelle, um per Lastmodulation dem Sender definierte Datenpakete senden zu können (Bild 1). Dieser Kommunikationskanal ist exklusiv zwischen Sender und Empfänger und ausschließlich zur Regelung gedacht.

Im EPP-Modus kann der Sender auch mithilfe einer vereinfachten Frequenzmodulation mit dem Empfänger kommunizieren. Die bidirektionale Kommunikation im EPP-Modus ist eine Konzept­erweiterung, die es ermöglicht, den Leistungsfluss auszuhandeln. Die Betriebsphasen im Qi-Standard sehen folgendermaßen aus:

  • Bereitschaft und Initialisierung (Standby & Configuration Phase),
  • Aushandeln (Negotiation Phase),
  • Kalibrieren (Calibration Phase),
  • Energieübertragung (Power Transfer Phase).

Die Betriebsphasen berücksichtigen neben der generellen Leistungsregelung insbesondere die Dynamik der magnetischen Kopplung zwischen dem Sender und dem Empfänger. Die Selbstinduktivitäten der Sender- bzw. Empfängerspule Lp, Ls erhöhen sich nach der Kopplung – wenn die Empfängerspule auf die Senderspule gelegt wird – in Lp‘, Ls‘ messbar, weil sie das magnetische Material der jeweils gegenüberliegenden Spule erfassen.

Das führt zu einer Verschiebung der Resonanz und bedeutet auch, dass sich die Güten der Spulen verbessern können, weil die ohmschen Verluste weniger stark ansteigen. Sobald jedoch ein Fremdkörper aus einer spezifischen Metalllegierung (Foreign Object, FO) zwischen Sender und Empfänger liegt, verringern die im Fremdkörper induzierten Wirbelströme die ursprüngliche magnetische Durchflutung und die Induktivitäten verringern sich – was ebenfalls zu einer Veränderung der Güte führt.

Die Wirbelströme in dem Fremdkörper führen im Energieübertragungskanal zu zusätzlichen elektrischen Verlusten. Der Empfänger kann über seine Kommunikationsschnittstelle jederzeit die von ihm empfangene Leistung in definierten Datenpaketen an den Sender übermitteln. Die elektrischen Verluste im Fremdkörper können ermittelt werden, indem die gesendete Leistung mit der empfangenen Leistung verglichen wird. Der Sender kann daraus eine Leistungsbilanz und/oder einen Leistungstrend ermitteln. Ein ganz besonderer Anwendungsfall ist zudem das schnelle Entfernen eines Empfängers vom Sender, z.B. wenn ein Smartphone von der Ladeschale genommen wird. In diesem Fall könnten die maximalen Belastungsgrenzen von Bauteilen überschritten und irreparabel geschädigt werden. Als Schutzmaßnahme kann über eine Begrenzung des Feldes per Schwellwertentscheidung der Sender einfach abgeschaltet werden. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Merkmale dieser Schutzfunktion weiter ausgeführt.

Verschiebung der Resonanz

Wenn kein Empfänger auf dem Sender aufliegt, befindet sich das Energieübertragungssystem in der Bereitschaftsphase. In diesem Zustand wird in periodischen Abständen ein sogenannter analoger Ping über den Wechselrichter in den Primärkreis initiiert, d.h. für einen kurzen Zeitraum wird der Resonanzkreis mit einer kleinen Amplitude angeregt. Die Signalform wird vom Sender zwischen den Resonanzkondensatoren und der Resonanzspule gemessen und anschliessend entsprechend verarbeitet.

Die Amplitude und die Dauer dieses Pulses verringern sich deutlich, wenn z.B. ein magnetisches Material auf die Senderspule gelegt wird. Das magnetische Material vergrößert die intrinsische Induktivitäten Lp in Lp‘ und die Resonanzfrequenz f0 verringert sich. Der angeregte Resonanzkreis hat eine höhere Dämpfung, sodass sich die Amplitude und die Dauer des Pulses verringern.

 

Bilder: 3

Bild 2

Über die Höhe der Spannung am Resonanzkreis des Senders kann detektiert werden, ob sich ein Objekt im Magnetfeld der Senderspule befindet.

 

In Bild 2 ist eine Gegenüberstellung der Signalform zu sehen. Das Signal wurde zwischen der Kondensatorbank und der Spule mit Bezug zur Masse gemessen. Wird ein spezifischer Schwellwert der Amplitude unterschritten, kann der Sender detektieren, dass ein Objekt auf der Sendespule aufliegt. Er kann aber noch nicht bestimmen, ob es sich dabei um einen Fremdkörper oder einen Wireless-Power-Empfänger handelt.

Um das zu ermitteln, initiiert der Sender einen sogenannten digitalen Ping über den Wechselrichter, der genug Energie überträgt, um die Elektronik auf der Empfängerseite zu wecken und in Betrieb zu nehmen. Dieser Puls hat allerdings nicht genug Energie um einen Fremdkörper signifikant zu erwärmen.

Der Empfänger muss nun mit einem definierten Datenpaket antworten, damit der Sender die nächste Betriebsphase einleiten darf. Wird das Datenpaket nicht vom Empfänger gesendet, geht der Sender davon aus, dass es sich um einen metallischen Fremdkörper handelt und verbleibt im Bereitschaftsmodus.

Veränderung der Güte durch Fremdkörper

Wenn der Empfänger durch den digitalen Ping aufwacht, antwortet er über seinen Kommunikationspfad mit diversen Parametern. Handelt es sich bei dem Empfänger um einen EPP-Empfänger, so fragt er das Leistungsvermögen des Senders ab und übermittelt einen sogenannten Referenzgütefaktor Qref, den der Sender an seiner Sendespule erwarten kann.

Ausschließlich im EPP-Modus werden auch einige Parameter vom Sender bestätigt bzw. die theoretisch übertragbare Leistung mitgeteilt. Der tatsächliche Gütefaktor wird vom Sender durch eine zusätzliche Diagnostik gemessen und mit dem vom Empfänger übertragenen Referenzgütefaktor Qref verglichen. Liegt die Abweichung innerhalb eines vertretbaren Rahmens, kann die nächste Betriebsphase initiiert werden – oder der Sender wird abgeschaltet (Bild 3).

In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu verstehen, wie sich die Güte der Spule physikalisch ergibt. Unabhängig von den ohmschen Verlusten und der Frequenz ist die Induktivität bzw. der magnetische Fluss entscheidend. Streng nach Maxwell, kann der magnetische Fluss über ein Flächenintegral der magnetischen Flussdichte B zu der senkrecht durchsetzten Fläche A ermittelt werden.

Bei der Betrachtung der magnetischen Feldlinien einer waagerecht platzierten Ringspule fällt auf, dass diese in der Mitte der Spule besonders senkrecht verlaufen – der magnetische Fluss bzw. die Induktivität und die Güte haben dort die stärkste Gewichtung. Das bedeutet: wenn ein Metallstück die Flussdichte durch seine Wirbelströme schwächt, ist die Veränderung der Güte besonders in der Mitte der Spule ausgeprägt und weniger stark, wenn das Metallstück auf dem Schenkel der Spule liegt.