Kabellose Energieübertragung: Spulen als zentrale Bauelemente

 

Autor: Jörg Hantschel, Würth Elektronik

Das Nutzerverhalten von Smartphone und Tabletbesitzern hat sich in den letzten 2 Jahren verändert. Always online durch soziale Netzwerke, Push Email, Spiele, große Displays, schnelle Prozessoren und HD Graphik führen dazu, dass der Nutzer mit einer Batterieladung seines Gerätes kaum über den Tag kommt. Kabellose Ladeangebote an öffentlichen Plätzen bieten hier eine Lösung für dieses Problem. Während eines Restaurantbesuches kann z.B. das Smartphone bequem geladen werden, indem es einfach auf den entsprechenden Platz auf dem Tisch gelegt wird. Voraussetzung ist natürlich, dass das Gerät die passende kabellose Ladetechnik integriert hat. Weitere nötige Erfolgsfaktoren sind einfache und bequeme Bedienung für den Nutzer sowie eine Ladeperformance (Ladezeit, Effizienz,..), die vergleichbar mit der herkömmlichen drahtgebundenen Technologie ist.

Drei dominierende Standards

Der Erfolg Drahtloser Ladelösungen hängt vom Einhalten eines Standards auf der Sender und Empfängerseite ab. Nur wenn gewährleistet ist, dass das Gerät herstellerunabhängig an jeder dem Standard entsprechenden Ladestation problemlos geladen werden kann, wird sich das System im Markt durchsetzten.

Welche Standardansätze gibt es und welche Technik steckt dahinter?

Close coupled Qi Standard - Wireless Power Consortium (WPC) 

  • Energieübertragung mit induktiver Kopplung über kurze Distanz (mm Bereich)  Sender (Tx) und Empfänger (Rx) -spulen sind induktive gekoppelte Spulen.
  • Das Magnetfeld ist konzentriert in dem schmalen Bereich zwischen Sende- und Empfängerspule
  • Jeder Sender kann nur einen Empfänger bedienen
  • Verschiedene Leistungsklassen (5W, 15W, höhere in Planung bis 2,5kW)  Frequenzbereich 100 – 205 kHz
  • Spulenformen: gewickelt auf Ferrit oder gedruckt auf Leiterplatte
  • Zurzeit etablierteste Lösung im Markt. Über 230 zugelassene Geräte mit ca. 16 Mio. Stück weltweit.

Loosely coupled (magnetic resonance) - Alliance for Wireless Power (A4WP) 

  • Ladeprinzip Magnetische Resonanz: Dabei stellt ein Sendeschwingkreis bei einer Resonanzfrequenz die Energie zur Verfügung. Entsprechend auf die Resonanzfrequenz abgestimmte Empfänger können die Energie übernehmen.
  • Größerer Abstand in z-Richtung (50mm) und keine genaue Positionierung des Empfängers nötig
  • Ein Sender kann mehrere Empfänger gleichzeitig versorgen.
  • Leistungsklasse geplant für Smartphones und Tablets, z.Z. bis 22W
  • Frequenzbereiche: Energie 6,78 MHz (ISM Band), Daten 2,4 GHz (LP Bluetooth)
  • Standard noch nicht verabschiedet. Noch keine kommerziellen Produkte im Markt
  • Keine Kompatibilität mit a. oder c.

Power Matters Alliance (PMA) 

  • Technisch ähnliche Lösung wie a. Einige Ladegeräte und Ladeadapter (Hüllen) für gängige Smartphones im Markt.
  • Die PMA Lösung nutzt ein anderes Protokoll und ein anderes Übertragungsfrequenzband (Details nur für Mitglieder) als die Qi Lösung des WPC.
  • Keine direkte Kompatibilität mit a. oder b.

Es gibt von einigen Halbleiterherstellern (IDT, TI) Ansätze mit einem Kombi Chipsatz Sendelösungen anzubieten, die sowohl den Qi Standard des WPC als auch die PMA Lösung in einem Gerät abbilden können. Die Standards heute sind getrieben vom Konsumermarkt und beschränken sich z.Z. auf Lösungen bis 20W. Nur das WPC hat Lösungen bis 2,4kW für die kabellose Küche angekündigt. Wenn dieser Standard (angedachte Klassen 200W, 800W, 2,4kW) festgelegt ist, können die Lösungen natürlich auch für Anwendungen außerhalb von Küchengeräten verwendet werden. 

Daneben gibt es heute eine Vielzahl von kundenspezifischen Lösungen mit unterschiedlichen Leistungen im Markt. Energieversorgung von industriellen Geräten und das Laden von größeren Batterien sind die hauptsächlichen Anwendungsgebiete. Dabei handelt es sich meist um induktive Lösungen mit kleinen und mittleren Stückzahlen, die untereinander nicht kompatibel sind und eigene Zulassungen erfordern. Auf die Ansätze für kabelloses Laden in Elektrofahrzeugen soll hier nicht eingegangen werden.

Das Qi-System

Wie ist das Gesamtsystem der induktiven Lösung nach dem Qi Standard des WPC aufgebaut?

Bei der Qi Lösung des WPC stellt der Sender in der Low Power Klasse an der Sendespule 5W zur Verfügung. Über ein Power Management Protokoll kommunizieren Sender und Empfänger miteinander (Bild 1). Dies geschieht über die Spulen bei der Betriebsfrequenz von 100 - 205 kHz. Der Empfänger fordert die benötigte Energie beim Sender an und der Sender stellt sie zur Verfügung. Die Energieübertragung wird über das Power Management ständig überwacht und angepasst. Benötigt der Empfänger keine weitere Energie geht das System in einen Stand-by Modus.

Für den Geräteentwickler bieten die Halbleiterhersteller entsprechende Evaluierungskits und Referenz-designs an. Als Beispiel zeigt Bild 2 das Transmitterboard bq500211AEVM-210 von Texas Instruments mit einer Senderspule von Würth Elektronik (760 308 111).

Den Sender- und Empfängerspulen kommt in den induktiven Lösungen eine zentrale Bedeutung zu, da sie über eine möglichst verlustfreie, optimale Energie-übertragung entscheiden. Die Auswahl der Spulen und die Art der Positionierung von Sende- und Empfangsspulen haben einen großen Einfluss auf die Effizienz der Energieübertragung.

Bild 1: Prinzip nach dem Qi Standard des WPC. Quelle: Wireless Power Consortium 2012
Bild 2: Transmitterboard bq500211AEVM-210 von Texas Instruments. Quelle: Foto Würth Elektronik
Bild 3: Auswahl von Sende- und Empfangsspulen nach dem Qi Standard des WPC. Quelle: Würth Elektronik

Einflussfaktoren für die Spulen

Eine Reihe von Einflussfaktoren entscheiden über eine möglichst verlustfreie Energieübertragung.

Platzierung der Spulen

Sind die Sende- und Empfangsspulen nicht korrekt zueinander platziert, so kommt es zu Verlusten. Man unterscheidet laterale, verkantete und vertikale Fehlausrichtung (Bild 4).

Bild 4: Arten der Fehlausrichtung von Sende – und Empfangsspulen. Quelle: Eigene Darstellung nach RRC power solutions

Die gute Kopplung und verlustminimierte Energieübertragung hängt von der maximalen wirksamen Fläche der Empfängerspule im Magnetfeld der Sendespule und vom geringen Abstand in z-Richtung ab. Ist die Empfängerspule ohne Verkantung mit der Sendespule zentriert und der Abstand in z Richtung möglichst gering, so entstehen minimale Verluste durch die Kopplung. Ideal ist ein Kopplungsfaktor von 1.

Die Kopplung

Um Fehlausrichtungen zu kompensieren sind hohe Gütewerte der Spulen und Effizienz der Kopplung von großem Vorteil.

Der Koppelfaktor zwischen Sende- und Empfangsspulen folgt

L1 und L2 sind die Selbstinduktivitäten der Spulen, M ist die Gegeninduktivität zwischen den beiden Spulen.

Die Güte der Spulen ist abhängig vom Verlustwiderstand RL und dem Blindwiderstand XL.

Luftspulen mit einer Ferritplatte weisen typischerweise Gütewerte zwischen 100 bis 300 auf.

Der Widerstand in den Spulen wird neben dem ohmschen Widerstand des Drahtes von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Skin Effekt

Der Skin-Effekt (Stromverdrängung) tritt in elektrischen Leitern auf, die von höherfrequentem Wechselstrom durchflossen werden. Die Stromdichte ist dabei im Inneren des Leiters niedriger als an der Oberfläche.

Die Eindringtiefe δ kann mit folgender Formel gut beschrieben werden:

ρ —› Spezifischer Widerstand

ω —› Kreisfrequenz

µ —› gescherte effektive Permeabilität (Bsp.: 100)

Die Eindringtiefe wird gemessen vom Außendurchmesser hin zum Leiterzentrum und beträgt bei 50Hz ca. 10,4mm, bei 10kHz 0,73mm und bei 100kHz 0,23mm. Dadurch verringert sich die Fläche durch die der Strom tatsächlich fließt und folge dessen erhöht sich der Widerstand.

Durch den Einsatz von HF Litze in den Sende- und Empfangsspulen kann der negative Einfluss des Skin Effekts deutlich verringert werden.

Proximity Effekt

Ein weiterer Faktor, der die Verluste in den Spulen beeinflusst, ist der Proximity Effekt. Dabei kommt es zu Stromeinschnürungen bzw. Stromverdrängung in dicht beieinander liegenden Leitern aufgrund des magnetischen Streuflusses. Litzdrahtgestaltung, Wickeltechnologie und Ausführung der Isolation des Spulendrahtes können die unerwünschten Wirbelströme in den Spulen reduzieren.

Verlustfaktor

Die kabellose Energieübertragung wird durch den Verlustfaktor im System begrenzt. Der Verlustfaktor λ ergibt sich aus

und drückt das Verhältnis des Gesamtverlustes zur übertragenen Energiemenge aus. Ziel ist ganz klar den Verlustfaktor zu minimieren. Ist das System aus Sende- und Empfangsspulen optimiert, kann ein minimaler Verlustfaktor, beeinflusst von Güte und Kopplungsfaktor des Systems, erreicht werden.

Die Gleichung zeigt, dass das Produkt aus Güte und Kopplungsfaktor als Systemgüte (figure of merrit = FOM) heran-gezogen werden kann. Eine Verschlechterung des Verlust-faktors z.B. durch einen schlechten Koppelfaktor kann durch eine Erhöhung der Güte der Spulen kompensiert werden. (Bild 5)

Bild 5: Zusammenhang zwischen Verlustfaktor und Figure of Merrit. Quelle: Wireless Power Consortium 2012 www.wirelesspowerconsortium.com/technology

Feldverlauf

Ein weiteres wichtiges Element das die Spulen maßgeblich beeinflussen, ist der magnetische Feldverlauf. Neben dem Einfluss auf die Kopplung ist hier die ungewünschte Abstrahlung in die Umgebung entscheidend.

Bild 6 zeigt die magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte von Sende- und Empfangsspule in optimaler Kopplung.

Bild 6: Simulation der magnetischen Feldstärke und Flussdichte in induktiv gekoppelten Spulen auf Ferrit. Oben: Feldstärke. Unten: Flussdichte. Quelle: Würth Elektronik

Es wird deutlich, dass das magnetische Feld durch die Ferritschirmung gezielt auf den Raum zwischen den Spulen begrenzt wird und eine Beeinflussung der Umgebung quasi nicht stattfindet. Die Simulation der Flussdichte macht die Wirkung der Ferritplatte sichtbar. Hier konzentriert sich der magnetische Fluss.

Bild 7 zeigt die magnetische Feldstärke und Flussdichte bei einer lateralen Fehlausrichtung (28%) von Sende- und Empfangsspule.

Bild 7: Oben Feldstärke. Unten: Flussdichte. Quelle: Würth Elektronik

 

Magnetisches Feld und magnetischer Fluss sind bei dieser Fehlausrichtung hauptsächlich auf das Gesamtsystem der beiden Spulen beschränkt. Es findet keine Vergrößerung des Feldes in z-Richtung statt. Daraus lässt sich ableiten, dass das magnetische Feld in der induktiven Kopplung durch die Verwendung geeigneter Ferritabschirmung auf den Bereich zwischen den Spulen beschränkt wird. Zusätzliche Abschirmmaßnahmen sind nicht von Nöten.

Außerdem verhindert der Qi Standard zu große Verluste durch Fehlausrichtung der Spulen. Sinkt die Effizienz der Verbindung unter 70% beendet das Power Management die Energieübertragung. Erst wenn die Ausrichtung der Spulen eine Übertragung mit einer Effizienz >70% ermöglicht, wird die Energieübertragung gestartet.

Im Qi Standard des WPC sind die Geometrien und Materialen der Sendespulen genau spezifiziert. Dies hat den großen Vorteil, dass durch die Verwendung von dem Standard entsprechenden Komponenten (Sende Spulen, Power Management Chipsatz) die Interoperabilität des Gesamtsystems gewährleistet werden kann. Bei der Qi Zertifizierung der Geräte wird die Interoperabilität mit bereits zertifizierten Geräten von unabhängigen Testlaboren geprüft und bestätigt.

Es sind zurzeit 22 unterschiedliche Designs für die Sendespulen im Qi Standard festgelegt, die sich in zwei Klassen aufteilen. Einerseits Ferritplatten mit gewickelten Drahtspulen, andererseits Leiterplatten mit gedruckten Wicklungen oder Hybridlösungen. Innerhalb der Klassen sind Unterscheidungskriterien Anzahl der Spulen (Single, Array), Größe, Form, Spannungsklasse und Art der Kontrolle (Spannung, Duty Cycle, Frequenz). Außerdem gibt es Designs mit einem zentralen Dauermagneten in der Spule. Dieser ist dafür gedacht, sehr leichte Empfänger automatisch auf der Sendespule zu zentrieren. Klarer Nachteil der Lösung ist, dass der Dauermagnet im Magnetfeld der Spule die Güte durch entstehende Wirbelströme stark negativ beeinflusst.

Verbesserung bzw. Optimierung der Standardspulen

Durch die Verwendung hochwertiger Materialen, Ausführung der Litzdrahtisolierung und Wickeltechnologie können die parasitären Widerstände in den Spulen minimiert und die Güte erhöht werden. Solche Spulen geben dem Gesamtsystem in Anwendungen aus Industrie oder Medizintechnik erhöhte Reserven in der Performance. Das Sende- und Empfangsspulen Spektrum von Würth Elektronik erfüllen mit niedrigem RDC und hoher Güte diese Anforderungen.

Literatur

Alliance for Wireless Power: http://www.a4wp.org/technology.html

Elektroniknet.de: Peter Wambsganß und Prof. Dr.-Ing. Nejila Parspour , Stromversorgung aus dem HF- Feld http://www.elektroniknet.de/power/power-management/artikel/1644/1/

Power Matters Alliance: http://www.powermatters.org/

RRC power solutions: Workshop: Grundlagen der induktiven Energieübertragung, Qi Standard und Systemdesign, 2012

Texas Instruments Evaluation Kit: http://www.ti.com/ww/en/analog/wireless_power_solutions/tools.htm

Wireless Power Consortium: www.wirelesspowerconsortium.com/technology

Würth Elektronik: Trilogie der Induktiven Bauelemente, 2008

Würth Elektronik: Datenblatt 760308111, 760308201, 760308106

Würth Elektronik: Wireless Power Coils: http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-WPCC

 


--> -->