Das Versprechen echter Wireless-Power-Technologie einlösen

Wir gewöhnen uns zunehmend daran, Energie über eine drahtlose Schnittstelle in so unterschiedlichen Anwendungen wie Ohrhörer-Ladegeräten und Induktionskochfeldern bereitzustellen, aber wie weit kann uns diese Technologie bringen? Werden wir jemals in der Lage sein, ein Auto aufzuladen, ohne ein Kabel anzuschließen, oder Netzstrom an abgelegene Orte zu bringen, ohne Masten zu pflanzen und Gräben auszuheben?

Es gibt zwei Hauptformen der drahtlosen Stromversorgung. Die erste besteht darin, einen Sender und einen Empfänger eng zu koppeln, indem ein elektrisches oder magnetisches Feld zwischen ihnen gebildet wird und es dann verwendet wird, um Energie von einem zum anderen zu übertragen. Einige eng gekoppelte Leistungsübertragungsschemata verwenden ein elektrisches Feld, um zwei Elektroden zu koppeln. Viele andere, wie Induktionskochfelder, elektrische Zahnbürsten und kabellose Telefonladegeräte, erzeugen im Sender ein elektromagnetisches Feld und verwenden dieses Feld dann, um einen elektrischen Strom in einem nahegelegenen Empfänger zu induzieren, der dann Maßnahmen ergreifen kann – wie das Aufladen einer Batterie.

Der zweite wichtige Ansatz ist die Strahlungskopplung, bei der ein Energiestrahl, oft in Form von Hochfrequenz-Radiowellen, auf einen Empfänger gerichtet wird, der hoch abgestimmt ist, um so viel Energie wie möglich einzufangen.

Die Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger ist für eine effiziente Energieübertragung sehr wichtig. (Bild:Molex Ventures)

Jeder Ansatz hat Vorteile und Grenzen, wobei die Effizienz der Energieübertragung und die Übertragungsreichweite zwei der wichtigsten Gütekriterien sind. Bei eng gekoppelten Systemen ist die Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger für eine effiziente Energieübertragung sehr wichtig. Wenn Sie ein Induktionskochfeld verwendet haben, wissen Sie dies instinktiv, da eine Pfanne sofort aufhört zu heizen, wenn sie aus der markierten Mitte ihres Rings bewegt wird. Vielleicht haben Sie auch die vielen Magnete bemerkt, die in die Rückseite der neuesten Smartphones eingelassen sind, um sicherzustellen, dass der kabellose Ladepuck perfekt auf die Empfängerspule des Telefons ausgerichtet ist. Da die Ladezeiten für den wahrgenommenen Nutzen neuer Mobiltelefone so wichtig sind, lohnt es sich, sicherzustellen, dass das kabellose Laden so effektiv wie möglich ist, den technischen Aufwand und die Herstellungskosten pro Einheit.

Ähnliche Herausforderungen sehen wir in viel größerem Maßstab bei den Bemühungen, Standards für das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen zu entwickeln. Eine kürzlich von Molex durchgeführte Umfrage unter Automobilunternehmen ergab, dass 36 Prozent der Befragten glauben, dass drahtloses Laden bis 2030 eine Standardfunktion sein wird. Bei Mobiltelefonen werden Laderaten in Dutzenden von Watt gemessen. Elektrofahrzeuge (EVs) benötigen jedoch Laderaten von 50 KW bis 250 KW, um für lange Fahrten praktische Alternativen zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu werden. Die richtige Ausrichtung zwischen der Sendespule am Boden und der Pickup-Spule unter dem Auto ist sehr wichtig. Schließlich könnten Übertragungsverluste von wenigen Prozent aufgrund einer schlechten Ausrichtung dazu führen, dass Hunderte von Watt Leistung als nutzlose Wärme an der Schnittstelle zwischen den Sendespulen des Ladegeräts und dem Empfänger des Fahrzeugs abgegeben werden.

Ein Konzept für kabellose Ladespuren für Elektrofahrzeuge? (Bild:Molex Ventures)

SAE International hat bereits einen Standard (J2954_202010) veröffentlicht, der viele der Probleme beim kabellosen Laden von Fahrzeugen angeht. Sie legt Kriterien für die Interoperabilität, elektromagnetische Verträglichkeit, EMF, Leistung, Sicherheit und Prüfung von drahtlosen Energieübertragungssystemen für den Einsatz in leichten Plug-in-Elektrofahrzeugen fest. Die Spezifikation ist für den Einsatz in stationären Ladeanwendungen gedacht, auch wenn dynamische Anwendungen in Zukunft in Betracht gezogen werden können. In seiner jetzigen Form ist es auf oberirdische Ladestationen beschränkt und deckt keine Unterputzinstallationen ab.

Der Standard SAE J2954 definiert auch einen Ansatz zur Ausrichtung, der es dem Fahrer ermöglicht, seine Fahrzeuge mit dem Ladepad auszurichten, um eine effiziente Energieübertragung zu gewährleisten und die Infrastruktur für Autos bereitzustellen, um dies in Zukunft autonom zu tun. Aber es bedarf guter Ingenieurskunst und viel Benutzerdisziplin, um sicherzustellen, dass das kabellose Laden so einfach und schnell ist, wie es sein muss, um das routinemäßige Benutzerverhalten des einfachen Anschließens des Autos wie an einer Zapfsäule zu ersetzen.

Das kabellose Laden von Mobiltelefonen im Auto ist vielleicht die bisher beste Illustration für das ungewisse Versprechen der kabellosen Energieübertragung heute. Fazit:Es funktioniert nur, wenn das Telefon an einer bestimmten Stelle platziert wird, um eine starke Ausrichtung zwischen Sender- und Empfängerspulen zu gewährleisten.

Verschiedene Formen von Ladepads. Von links nach rechts:Wireless Charging Rack, Wireless Charging Pad und Wireless Charging Cupholder (Bild:Molex Ventures)

Handynutzer sind nicht so nachsichtig, weshalb die neuesten Smartphones so starke Magnete hinter ihrem Gehäuse haben, dass die Ausrichtung zum Kinderspiel wird. Aber diese Art des kabellosen Ladens ist immer noch ein teilweise angebundenes Erlebnis – Sie müssen dorthin gehen, wo sich das Ladepad befindet. Eine bessere Benutzererfahrung würde darin bestehen, ein Gerät überall in einem bestimmten Volumen aufzuladen, ohne dass eine enge Kopplung und genaue Ausrichtung an einer Ladespule erforderlich ist. Ein von Molex Ventures finanziertes Startup namens Ossia tut genau dies und verwendet eine Strategie, die ähnlich wie die MIMO-Antennen-Arrays ist, die in fortschrittlichen WiFi- und 5G-Systemen verwendet werden, um zu ermöglichen, dass Energie an ein Gerät gesendet wird, auch wenn es sich nicht in der Sichtlinie des Senders befindet.

Bei Ossias Ansatz sendet ein Leistungssender ein regelmäßiges Signal von seiner Antenne aus, um ihn mit allen kompatiblen Geräten in der Nähe zu synchronisieren. Jeder Empfänger sendet dann ein Beacon-Signal zurück, das seine Anwesenheit und seinen Energiebedarf ankündigt. Der Leistungssender misst die Phase jedes Bakensignals und verwendet diese, um die Richtung zu ermitteln, in die er Leistung für die effizienteste Energieübertragung senden sollte.

Dieser Ansatz funktioniert mit einem Einzelantennensender, aber Leistungssender mit mehreren Antennen können die leicht unterschiedlichen Phasen des an jedem von ihnen ankommenden Bakensignals messen, um den effizientesten Übertragungsweg genauer festzulegen. Der Leistungssender kann dann die Phase und den Leistungsausgang jeder seiner Antennen einstellen, um einen kohärenten Energiestrahl zum Empfänger zu lenken. Und dieser Weg muss nicht in Sichtlinie sein – wenn das Bakensignal eines Leistungsempfängers auf dem Weg zum Sender von einer Wand abprallt, richtet der Leistungssender seinen Strahl auf demselben Weg zurück.

Ein mit dem Ossia Cota-Leistungsempfänger aktiviertes Gerät sendet ein Beacon-Signal, um den Cota-Leistungssender zu lokalisieren, der dann drahtlos Strom über denselben Weg liefert. (Bild:Molex Ventures)

Der Sender kann auch mehrere Geräte innerhalb eines Volumes unterstützen. Jeder Empfänger innerhalb dieses Volumens misst, wie viel Leistung er benötigt und sendet diese Informationen als Anfrage an den Sender. Der Sender vergleicht dann alle Anforderungen von den Empfängern, die er bedient, und weist jedem der Empfänger je nach Bedarf drahtlose Stromimpulse zu.

Das Versprechen dieses Ansatzes, argumentiert das Unternehmen, besteht darin, dass, sobald Energie auf diese Weise geliefert werden kann, alle möglichen Annahmen darüber, wie Geräte in der Umgebung mit Strom versorgt werden, überdacht werden können. Das Paradigma ändert sich vom kabellosen Laden zur kabellosen Stromversorgung. Deckenrauchmelder brauchen beispielsweise nie eine neue Batterie und Roboterstaubsauger würden ihren Dienst tun, ohne zu einer sperrigen Dockingstation zurückkehren zu müssen.

Mobiltelefone haben uns gelehrt, dass wir von einem Handheld-Gerät aus auf alles zugreifen können, eine Einrichtung, die nur durch den Zugriff auf Bandbreite und geeignete Akkuladungen begrenzt ist. Die drahtlose Energieübertragung scheint ein nützlicher Weg zu sein, um das Anschließen eines Telefons oder eines Autos zu vermeiden – aber am Ende ist sie immer noch an den Standort des Ladegeräts gebunden. Wenn es praktisch wird, Geräte überall innerhalb eines definierten Volumens drahtlos mit Strom zu versorgen, werden sich unsere Möglichkeiten und unser Verhalten möglicherweise genauso ändern wie beim Wechsel vom Festnetz zum Smartphone.

Letztendlich wird die Veränderung mit der Entwicklung der unterstützenden Technologien einhergehen – wie beispielsweise Sensoren, die bei Ausrichtungsproblemen helfen, oder Wärmemanagementlösungen, um das Laden mit hoher Leistung zu erleichtern. Dies erfordert Know-how, das einen Weg in eine zunehmend vernetzte, aber ungebundene Welt bietet.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times Europe.

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