Standardisierte Ladetechnik
Kontaktlos Akkus laden
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Anforderungen an Sender und Empfänger
Bei dem Typ A des Senders handelt es sich um ein Design mit einer primärseitigen Spule, die entweder in einer Position fixiert (Typ A1) ist oder mechanisch beweglich (Typ A2) realisiert werden kann. Typ A1 nutzt als Positionierungshilfe einen scheibenförmigen Magneten. Bei der Umrichteinheit des Typs A1 (Bild 4) treibt ein Halbbrückentreiber die primärseitige Spule und eine Serienkapazität.
Der Umrichter wandelt die Eingangsgleichspannung in die zur Anregung des Resonanzkreises erforderliche Wechselspannung. Der Messschaltkreis misst den Strom in der primärseitigen Spule, der von der Kontrolleinheit ausgewertet wird.
Über Variation der Betriebsfrequenz (110 kHz bis 205 kHz) und das Tastverhältnis des Signals wird die übertragene Energiemenge eingestellt. Typ A2 erlaubt eine freie Positionierung. Die primärseitige Spule wird auf einer mechanisch verstellbaren Positionierungsstufe angebracht, um sich auf die sekundärseitige Empfängerspule optimal ausrichten zu können.
Sender des Typ B1 und B2 erlauben die freie Positionierung des zu ladenden Endgerätes auf der Ladestation. Typ B1 nutzt ein Array von sich teilweise überdeckenden primärseitigen Spulen. In Abhängigkeit von der Position des sekundärseitigen Empfängers verbindet oder trennt ein Multiplexer die entsprechenden primärseitigen Spulen, wobei er jeweils ein bis drei Spulen mit dem Umrichter verbindet und eine hexagonale Zelle bildet (Bild 5).
Bei Typ B2 handelt es sich um eine Variante des Typs B1, wobei das primärseitige Spulenarray in einer achtlagigen Leiterplatte realisiert wird. Ein WPC-kompatibler Empfänger muss spezielle Anforderungen an die Mechanik, die Abschirmung und die Elektrik erfüllen.
Der Empfänger (Bild 6) besteht aus folgenden analogen Funktionsblöcken: dem sekundärseitigen Doppelresonanzkreis, einer Gleichrichteinheit mit Spannungsdetektor, einem Kommunikationsmodulator und einem Schalter zur Abtrennung der Last, um einen Stromfluss im lastfreien Fall zu unterbinden. Der Vollweggleichrichter erzeugt aus der empfangenen Wechselspannung eine Gleichspannung (die auch der Selbstversorgung dient).
Die Kommunikation lässt sich sowohl durch Modulation einer resistiven Last gleichspannungsseitig als auch einer kapazititiven Last wechselspannungsseitig realisieren. Die Kommunikations- und Kontrolleinheit überwacht die Energieübertragung und stellt die protokollbasierte Kommunikation und die Messwertaufnahme und Kontrolle bereit.
Systemsteuerung
Die Übertragung der Energie vom Sender zum Empfänger läuft in vier Phasen ab: der Selektion, dem Anklopfen (»Ping«), der Identifikation und Konfiguration sowie der Energieübertragung (Bild 7).
Hierbei wird zwischen Transaktionen unterschieden, die vom Sender (dunkler Pfeil) oder vom Empfänger (heller Pfeil) initiiert werden.
In der Selektionsphase überwacht der Sender, ob auf der Senderoberfläche ein Gegenstand platziert oder entfernt wird.
Fremdobjekte (z.B. Schlüssel, Münzen oder Kreditkarten) erkennt er und bricht den Selektionsvorgang ab.
Bei gültiger Systemantwort leitet der Sender die Phase des (digitalen) Anklopfens ein.
Wird in dieser Phase ein Empfänger erkannt, wird der Empfänger aufgeweckt und ein Energieübertragungskontrakt ausgehandelt.
Die Sendeleistung lässt sich mit Hilfe der vom Empfänger übertragenen Kontrolldaten kontinuierlich anpassen.
Die in Bild 8 dargestellte Systemlösung umfasst sowohl die Elektronik als auch die magnetischen Komponenten des Typs A1 für unter 5 W.
Auf der Sendeseite findet sich die Kontrolleinheit »bq500210« von Texas Instruments.
Der Empfängerbaustein »bq51013« des Herstellers beinhaltet die Spannungsumsetzung und Kommunikation.
Die Kompatibilitätsprüfung gemäß WPC wurde bestanden.
Messungen an den Evaluierungsmodulen von TI ergeben für die gesamte Energiewandlung von eingangsseitiger Adapterspannung bis zur sekundärseitigen Ausgangspannung Effizienzwerte von über 73% (Bild 9) für ladetypische Ströme.
Die Abstrahleigenschaften liegen unter den von CISPR22 geforderten Grenzwerten.
Über die Autoren:
Thomas Oderwald ist Product Marketing Manager für Power-Management, Justo Lapiedra ist System Engineer für Portable Power, beide bei Texas Instruments.
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