Wireless Power und Wireless Charging Startbereit

Kann sich Wireless Power lohnen?

Wenn der Leidensdruck hoch genug ist, dann lohnt es sich auf jeden Fall, sich mit Wireless Power zu beschäftigen. Beispiele dafür sind Kundenreklamationen wegen abgerissener Kabel oder wenn sich Kabelteile in Lebensmitteln wiederfinden oder wiederholt Störungen wegen Kabelbruchs auftreten. Erste Schritte sind dann das Studium der Fachliteratur, eine Internet-Recherche und die Anfrage bei Herstellern, Distributoren und Dienstleistern. Die Wireless-Power-Experten können meist nach kurzer Analyse der Anwendung und der Einbausituation die K.o.-Kriterien schnell erkennen.

Wenn sich die Chancen herauskristallisieren, müssen die Konsequenzen untersucht werden. Sende- und Empfangsspulen müssen irgendwo untergebracht werden und auch die Elektronik auf Sende- und Empfangsseite. Metallhaltige Teile müssen eventuell aus dem Weg geräumt werden, um Wirbelströme zu vermeiden und den Wirkungsgrad hoch zu halten. Schließlich müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Sicherheitsanforderungen zu gewährleisten.

Wenn beispielsweise auf einen 40-W-Sender eine Münze gelegt wird, die bereits bei 10 W glüht, dann lässt sich das nicht mit einer einfachen Schmelzsicherung im Sender verhindern. Da sind zusätzliche Sensoren und ein Mikrocontroller mit aufwendiger Software nötig. Und für den Fehlerfall, z. B. beim Ausfall eines Sensors, sollte auch noch eine Schutzfunktion greifen.

Außerdem müssen Entstörmaßnahmen entwickelt werden. Folien oder Platten aus Ferrit zur Abschirmung haben Einfluss auf die Konstruktion und fordern Designer heraus. Wenn eine metallische Abschirmung schon vorhanden ist, z. B. das Gehäuse, dann vereinfacht das die Sache.

Pech, wenn sich erst gegen Ende herausstellt, dass die Anforderung auch mit kontaktloser Energieübertragung nicht erfüllt werden kann. Deswegen sollten Entwickler ganz am Anfang schon bis zum Ende denken. Es gilt also, die besten Köpfe für das Projektteam zu gewinnen.

Steiniger Weg zum Erfolg?

Ältere Entwickler erinnern sich vielleicht noch an die 80er Jahre, als herkömmliche Stromversorgungen noch aus schweren 50-Hz-Trafos und Längsreglern mit dicken Kühlkörpern bestanden. Schaltnetzteile sind dagegen verlockend. Versprechen sie doch deutliche Verbesserungen wie kleinere Bauweise, weniger Gewicht und niedrigere Leistungsverluste.

Anfangs gab es sehr viele Probleme mit Schaltnetzteilen: Aufwendige Entwicklung mit neuartigen Leistungshalbleitern und integrierten Schaltungen für die Ansteuerung und Regelung, spezielle Transformatoren mit einem Kern aus unbekanntem Ferritmaterial, außerdem überall verteilt Bauteile zur Entstörung. Und das schlimmste: Es war unbekanntes Terrain, Experten waren rar, teure und schmerzhafte Erfahrungen mussten gesammelt werden und ein langer Atem war nötig – deutliche Parallelen zur heutigen Situation der kontaktlosen Energieübertragung.

Es ist klar, dass es auch bei der Umstellung auf Wireless Power viel Neuland gibt und ein langwieriger Lern- und Umdenkprozess nötig ist. Wie so oft heißt es auch hier: Aller Anfang ist schwer. Aber wenn das erste Produkt lanciert wurde, dann ist die Freude umso größer. Eine genutzte Chance, sich von den Wettbewerbern deutlich abzuheben und die Marktführerschaft ist wieder für eine Weile gesichert.

Für die Umstellung weiterer Geräte oder von Folgeprodukten wird der Aufwand dann deutlich kleiner sein, weil die beteiligten Entwickler in der Lernkurve schon weit vorangeschritten sind.
 

Die Wireless Power Session auf der Embedded World Conference

Auf der Embedded World Conference 2019 wurden in einer Session, speziell zum Thema Wireless Power, alle Facetten zu dem Thema kontaktlose Energieübertragung aufgezeigt. Die verschiedenen Referenten präsentierten neue Techniken und bewährte Lösungen, gingen auf die Vor- und Nachteile ein und stellten sogar verfügbare Evaluation Boards vor.

Eine Chance für die Teilnehmer, sich schnell in das Thema einzuarbeiten und herauszufinden, ob Wireless Power etwas Vorteilhaftes für das eigene Produkt sein kann, und wie die negativen Konsequenzen aussehen. Sowohl Einsteiger als auch Teilnehmer, die sich schon länger mit dem Thema befassen, bekamen in den Vorträgen wertvolle Informationen, zum Beispiel über elektromagnetische Verträglichkeit, Tipps zur Vereinfachung der Zulassungsprozeduren, biologische Zusammenhänge und Schutz vor Gefahren durch starke elektromagnetische Felder.

Wer einen Bedarf für den Einsatz von WPT in seinen Produkten sieht und in naher Zukunft Entscheidungen treffen will, der sollte nicht zögern sich jetzt mit dem Thema zu beschäftigen.

Die Zukunft mit Wireless Power beginnt jetzt

Als Gimmick bei Kleingeräten der Konsumelektronik wird sich die kontaktlose Energieübertragung meiner Meinung nach nur in Asien durchsetzen. Aufgrund der Dominanz der asiatischen Konsumgerätehersteller wird es vielleicht später auch auf anderen Kontinenten keine Alternative mehr zu WPT geben.

Kabellos, wie es der Name Wireless Power verspricht, wird es allerdings nie geben. Strom fließt eben am besten in elektrischen Leitern und muss von der Umgebung isoliert werden. Kabelhersteller brauchen also keine Angst vor der Zukunft zu haben, denn der Stromtransport vom Erzeuger zum Verbraucher ist ein langer Weg.

Den oft propagierten Traum vom kabellosen Büro oder Wohnraum kann ich mir nicht vorstellen. Die kontaktlose Energieübertragung wird helfen, Stromkabel besser zu verstecken und das lästige Ein- und Ausstecken zu vermeiden.

Küchenkleingeräte ohne Kabel gibt es vereinzelt schon. Das ist eine tolle Sache, wenn der Energieempfänger im Geräteboden integriert ist und der Energiesender unter der Arbeitsplatte liegt. Das wäre dann eher »wire invisible« statt »wireless«. Auf jeden Fall ist es hervorragend für das einfachere Hantieren und eine bessere Hygiene, weil die Geräte einfacher zu reinigen sind. Dazu wäre ein einziger Wireless-Power-Standard sehr wichtig, um viele verschiedene Geräte dort anzuschließen oder aufzuladen, vom Wasserkocher über die Popkornmaschine bis zum Tablett-PC, Smartphone oder Zusatzakku.

Im Vergleich dazu sind die vielen Kabel im Büro gar nicht so störend, wenn sie ordentlich in den Führungskanälen der Schreibtische verstaut oder aufgewickelt werden. Unansehnlich ist dann nur der Staub, der sich nach einigen Wochen und Monaten im Kabelbündel auftürmt, inklusive mumifizierter Insekten. Im Gegensatz zur Küche bräuchte ein Büroschreibtisch mehrere Energiesender, die gleichzeitig Rechner, Monitor, Drucker, Arbeitsleuchte etc. versorgen und Laptop, Tastatur, bzw. Maus oder Telefon aufladen. Sensationell wäre eine Sendeschleife in der Tischplatte oder einer Matte, die alles versorgt, was sich darauf befindet – aber ohne die Gesundheit des Menschen am Schreibtisch zu gefährden.

Bei bestimmten Anwendungen, vor allem im Konsumgerätebereich, wäre für die Marktdurchdringung und Verbreitung von Wireless Power ein Standard wichtig. Aber wie lange hat es gedauert, bis es für Mobiltelefone ein einheitliches Ladegerät mit Steckernetzteil und USB-Anschluss gab? Wie lange wird es bei Elektromobilen dauern? Verständlicherweise wollen Hersteller lieber ihrem Kundenkreis einen speziellen Nutzen anbieten, als allen Anwendern. Für die Verbraucher ist aber „plug and play“ ein großer Vorteil. Erinnern Sie sich noch an die Zeiten, wo jedes neue Gerät für den Betrieb am Rechner erst installiert werden musste? Dazu musste davor noch der aktuellen Treiber für das jeweilige Gerät passend zum vorhandene Betriebssystem geladen werden. Da hat man sich fünfmal überlegt, ob ein neues Gerät wirklich sein muss.

Wireless Power mit »place and play«, das wäre kundenfreundlich, dann würde sich die Technik massenhaft und schnell durchsetzen.

Kontaktlose Energieübertragung kommt mit großen Schritten in den Bereichen, wo Kabel oder Steckverbindungen wirklich stören oder störanfällig sind. Viele Unternehmen machen sich darüber jetzt schon Gedanken und lancieren Machbarkeitsstudien für erste Tests. Und einen Standard der Interoperabilität garantiert braucht es innerhalb von Systemen, Maschinen oder Geräten nicht. Im Gegenteil, Entwickler nutzen lieber den Gestaltungsfreiraum und bauen die eigene kontaktlose Energieübertragungsstrecken genau so wie es am besten passt. Wenn andere Geräte nicht auf die Wireless-Power-Schnittstelle zugreifen müssen, warum soll sie dann standardisiert sein?

 

Der Autor

Prof. Markus Rehm

arbeitete nach seinem Elektronik-Studium an der Hochschule Furtwangen acht Jahre lang bei der Deutschen Thomson Brandt als Forschungs- und Entwicklungsingenieur im Labor für Stromversorgungen.

Seit 20 Jahren ist er freiberuflich tätig und bietet seinen Kunden mit seinem Elektroniklabor Forschung, Entwicklung und Beratung als Dienstleistung an. Seine Schwerpunkte sind die Funktion, die Zuverlässigkeit und die EMV von Leistungselektronik sowie die Forschung, vor allem auf dem Gebiet der kontaktlosen Energieübertragung.

Viele seiner Erfindungen wurden zu Patenten angemeldet und sind erfolgreich im Einsatz. Seit 2008 lehrt er als Dozent an der Hochschule Furtwangen University Industrie- und Leistungselektronik und wurde 2019 zum Honorarprofessor berufen. Seit 2016 gibt er auch Tagesseminare über zuverlässige Netzteile beim FED (Fachverband Elektronik Design).

rehm@ib-rehm.de