Von Mark Patrick, Mouser Electronics
Warum laden wir nicht jedes persönliche Gerät drahtlos auf? Stromkabel sind umständlich, und es wäre wirklich nicht schwer für die Industrie, sie abzuschaffen. Hier tut sich bereits einiges: Viele der auf den Markt kommenden Mobiltelefone können kabellos aufgeladen werden und viele neue Fahrzeugmodelle können solche Geräte aufladen. Darüber hinaus wird diese Technologie in Bars und Cafés auf der ganzen Welt getestet, und es gibt eine große Anzahl von Testumgebungen für alle Arten von drahtlosen Ladesystemen.
Wenn man all dies berücksichtigt, warum ist die Nutzung des kabellosen Ladens nicht weit verbreitet? Der Hauptnachteil ist, dass es unterschiedliche Standards gibt. Der Qi-Standard des Wireless Power Consortium (WPC) und die verschiedenen Standards der AirFuel Alliance konkurrieren seit Jahren und verwenden unterschiedliche Technologien, sodass die Hersteller nicht sicher sein können, dass der Benutzer einfach und von überall aus aufladen kann Handy, Smartwatch, Tablet oder Laptop.
Es gab auch einige Probleme im Zusammenhang mit dem technischen Design. Bei Qi-Systemen müssen die Ladespulen von Sender und Empfänger einige Millimeter voneinander entfernt und passend ausgerichtet werden, damit schneller geladen wird, was beim ersten Wechsel nicht passiert, wenn der Nutzer das Handy auflegt Ladetisch.
Das Gerät und das Ladegerät müssen kommunizieren, was auf unterschiedliche Weise erreicht werden kann. Es gibt auch viele Optionen für die Ladetechnologie selbst – von induktivem und kapazitivem Laden bis hin zu MRT – und jede hat ihre technischen Nachteile und Vorteile. Darüber hinaus möchte der Benutzer, dass die Ladung schnell ist, was eine größere Leistung impliziert; Dies kann wiederum Sicherheitsprobleme in drahtlosen Topologien verursachen, da Metall in dem Bereich heiß werden und Verletzungen verursachen könnte. Ein weiterer wichtiger Faktor, der nicht vergessen werden sollte, ist, dass die Hersteller immer versuchen werden, die Gesamtkosten so niedrig wie möglich zu halten.
Vorstellung des WPC
Das WPC ist eine offene Kooperationsgruppe zur Entwicklung von Standards, die XNUMX gegründet wurde und sich aus mehr als XNUMX Unternehmen aus aller Welt zusammensetzt (wobei im Bereich des kabellosen Ladens eine Vielzahl von Unternehmen mit Organismen kooperiert, die konkurrieren miteinander). Kurz nach ihrer Ausbildung führte dieses Team den Qi-Standard (ausgesprochen „chi") ein, die etablierteste Technologie für Mobiltelefone und tragbare Geräte mit einer Leistung zwischen XNUMX und XNUMX W. Dies war jedoch in gewissem Maße eine Herausforderung. Hindernis für die Modernisierung der Standard, denn Innovationen müssen mit Systemen kompatibel sein, die vor zehn Jahren entworfen wurden.
Der Qi-Standard verwendet die billigste Methode: einen induktiven Lademechanismus, starke Kopplung und niedrige Frequenz. Der WPC hat seinen Vorschlag jedoch um einen drahtlosen Standard für Haushaltsgeräte (von 2 W bis XNUMX kW) und einen weiteren mit mittlerer Leistung für Werkzeuge, Roboterstaubsauger, Elektrofahrräder und andere batteriebetriebene Geräte (von XNUMX bis XNUMX fünf W) erweitert ). Beide befinden sich noch in der Entwicklung und verwenden unterschiedliche Technologien, um das Problem der Abwärtskompatibilität zu umgehen.
Der Qi-Standard arbeitet mit einer Niederfrequenzbandkommunikation (112 bis 250 kHz) und mit einer niedrigen Datenübertragungsgeschwindigkeit. Dies begrenzt den Lastabstand (5–XNUMX mm) und wirkt sich deutlich auf die Positionierungsflexibilität aus. In der Bandkommunikation werden Daten sowohl zum Senden als auch zur drahtlosen Übertragung von Nahrung verwendet. Der Nachteil ist, dass dies nur in eine Richtung funktioniert (von Empfänger zu Sender) und nur dann, wenn einem Sender nur ein Empfänger zugeordnet ist. Dies kann auf verschiedene Weise gelöst werden (mit vielen unabhängigen Spulen oder mit einem Satz und mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen), aber sie haben andere Nachteile, wie Abwärtskompatibilität und erhöhte Kosten. Viele Single-Chip-Qi-Controller werden hergestellt (z. B. von Texas Instruments und NXP), was dazu beiträgt, die Kosten einfacher drahtloser Verbindungen zu senken.
AirFuel-Allianz
Die Fusion der Alliance for Wireless Power (A4WP) und der Power Matters Alliance (PMA) im Jahr 2 markierte die Geburtsstunde der AirFuel Alliance, die es schaffte, zwei konkurrierende Technologien zu kombinieren: kapazitives und resonantes Laden, was dazu beitrug, die Fragmentierung auf dem Planeten des drahtlosen Ladens zu verringern AirFuel verwendet eine flexible Struktur mit einer höheren Frequenz (6,78 MHz), abgesehen von der Rückstreuung zwischen den Spulen. Dank dieser Kombination können mehrere Geräte gleichzeitig und von einer einzigen Sendespule geladen werden, mit flexibler Ausrichtung und mit Abständen von bis zu 5 cm, mehr als der Qi-Standard.
Mit Backscatter kann der Sender Änderungen in der Sendespulenladung feststellen, die durch Störungen in der Empfangsspulenladung verursacht werden. Durch Codierung der Daten in Ladungsänderungen der Empfangsspule kann diese ein Signal an den Sender senden, der mit Hilfe eines Demodulators auf die Daten zugreifen kann. Dank Rückstreuung, einfacherer Positionierung und der Möglichkeit, größere Entfernungen zu nutzen, kann die Sendespule unter der Oberfläche eines Möbelstücks platziert werden, was die Belastung des Benutzers und die Integration der Technologie in die Systeme des Dienstleisters erleichtert . Lose gekoppelt ermöglicht auch einen höheren Stromverbrauch (XNUMX+ W) für schnelleres Laden, ist aber schwieriger zu integrieren als eng gekoppelte Topologien.
Das Magnetic Resonance Working Committee (MRWC) von AirFuel hat die Aufgabe, technische Spezifikationen zu Magnetresonanztechnologien für die drahtlose Energieübertragung zu entwickeln und zu pflegen. Ein Teil seiner Arbeit besteht darin, Konformitätstestanforderungen und Interoperabilitätstestszenarien für Rumpel- und Multimode-Systeme zu erstellen. Andererseits entwickelt und pflegt das Non-Coupling Technologies Working Committee (UWC) technische Spezifikationen für Ernährung und drahtloses Laden durch nicht-magnetische Methoden wie HF, Ultraschall und Laser, die Energie über eine erheblich größere Entfernung liefern können.
Ein wesentliches Merkmal der AirFuel-Standards ist die Out-of-Band-Kommunikation. Dadurch kann eine kontinuierliche Kommunikation zwischen dem drahtlosen Leistungssender und dem entsprechenden Empfänger aufgebaut und aufrechterhalten werden. Es ist möglich, zwischen den relevanten Elementen des Senders und des Empfängers Zusatzinformationen zu senden, beispielsweise die Belastbarkeit des betreffenden Geräts (um die höchstmögliche Rate zu nutzen), die Authentifizierung usw. Dies liegt daran, dass out-of -Band-Kommunikation hängt nicht von der Ernährungsübertragung ab. In diesem Sinne können unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwendet werden, wie beispielsweise Bluetooth Low Energy (BLE) oder Zigbee. AirFuel empfiehlt die Verwendung von BLE (4 GHz), da es mehrere Empfänger für einen bestimmten Sender aufnehmen kann. Es ist auch kompatibel mit Geräten, die unterschiedliche Ernährungsniveaus, größere Freiheit in Bezug auf Raum und Entfernung, Authentifizierungssicherheit, geringen Stromverbrauch und viele andere intuitive Funktionen für die nächste Generation von Geräten im Internet der Dinge (IoT) erfordern. .
Die WPC wird jedoch nicht alles nach dem von AirFuel vorgegebenen Drehbuch weiterlaufen lassen. Die neuesten Spezifikationen für den Qi-Sender (MP-A16) erlauben bereits das Laden über Oberflächen. Damit lässt sich praktisch jede Oberfläche in ein kabelloses Ladegerät verwandeln und die „Hardware“ lässt sich wesentlich einfacher anpassen, um sie in Tische, Tresen etc. integrieren zu können. Das System besteht aus einer Sendespule, die unter einem Oberfläche und darüber einen Repeater sowie die Schnittstellen für den Empfänger. Durch die Verwendung eines Repeaters zur Lenkung des von der Sendespule erzeugten Flusses kann das System unter Oberflächen mit einer Dicke zwischen 30 und XNUMX mm installiert werden.
Die MP-A16-Sender sind vollständig kompatibel mit der Basis von WPC-Empfängern, sowohl mit Basic oder Low Power Profile (BPP) als auch mit Extended oder Intermediate Power Profile (EPP), bis zu einem Maximum von fünfzehn W. Der Vorteil von all dem ist, dass vorhandene Qi-Geräte eine Ladefläche nutzen könnten, indem sie einen MP-A16-Sender installieren.
Die bisherigen Erfahrungen des WPC bei der Implementierung von Ladenetzen offenbarten ein großes Hindernis für die Verbreitung von Ladeinfrastruktur: die Verpflichtung, die Oberflächen zu bohren. Es ist eine komplizierte und auch irreversible Arbeit, daher zögern viele Besitzer, es in ihren Einrichtungen zu lassen. Mit den MP-A16-Sendern wird die Installation von drahtlosen Ladegeräten erheblich einfacher: Legen Sie einfach einen Sender unter den Tisch und einen Repeater darauf.
Der WPC ist auch für das Laden im Freien gedacht. Das kabellose Laden an diesen Orten ist besonders schwierig, da sich die Bedingungen im Laufe des Jahres stark ändern können (extreme Kälte, extreme Hitze, Sonne, Regen, Hagel, Schnee usw.). Die Eingangsleistung muss auch 24 und 5 V betragen und nicht nur XNUMX V. Es ist auch wichtig, wasserdichte Vergusstechniken zu verwenden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern und die Sicherheit des Ladegeräts, des Geräts und vor allem des Benutzers zu gewährleisten.
Weltweit werden bereits Outdoor-Ladestationen gebaut, zum Beispiel in Tschechien, wo ein oberflächenmontiertes Qi-Wireless-Charger in eine Solarparkbank integriert wurde. Der WPC geht davon aus, dass die Häufigkeit dieser Installationen zunehmen wird, da Benutzer ihre alten Telefone gegen neuere Modelle mit Qi-Ladefunktionen eintauschen.
Schon heute gibt es viele attraktive Optionen für Entwickler von kabellosen Ladesystemen. Bisher mussten die Hersteller jedoch Geräte entwickeln, die mit jedem einzelnen Protokoll kompatibel sind. Der TS80000 von Semtech ist beispielsweise ein Sender, der Ausgangsleistungen von bis zu 40 W verwalten kann und mit Qi, AirFuel und bestimmten proprietären Protokollen kompatibel ist. Es kann so konfiguriert werden, dass es Einzel- oder Mehrspulenanwendungen (Halbbrücken- und Vollbrückensysteme) mit Strom versorgt, Bündel des Sekundärgeräts dekodiert und die Steuerung entsprechend anpasst. Ein integrierter PID-Filter kompensiert die Schaltung präzise, um eine höhere Präzision bei der Steuerung des Tastverhältnisses, der Frequenz oder der Spannung der Brücke zu erreichen.
Aus heutiger Sicht scheint es nicht möglich, dass diese beiden Normensätze zusammengeführt werden. Die beiden entwickeln ähnliche Standards, aber aus unterschiedlichen Richtungen. Halbleiterhersteller ihrerseits können es sich nicht leisten, sich auf eine Option zu verlassen, also kombinieren sie die Protokolle auf programmierbaren Chips, um Entwicklern so viel Flexibilität wie möglich zu geben.
