Wireless Power: Von Smartphones zu EVs – Der Weg nach vorn

Heute wird unsere Welt zunehmend von Wireless-Interfaces angetrieben – von Earbuds und Induktionskochfeldern bis zum aufstrebenden Feld des Electric-Vehicle-Chargings. Die Frage bleibt: Können wir eventually ein Auto ohne Kabel laden oder Grid-Strom zu remote Sites ohne Masten und Gräben liefern?

Wireless Power Delivery fällt in zwei breite Kategorien. Die erste basiert auf enger Kopplung zwischen Transmitter und Receiver, die ein elektrisches oder magnetisches Feld erstellt, das Energie direkt über einen kurzen Gap shuttelt. Viele Haushaltsgeräte – Induktionskochfelder, Zahnbürsten und die meisten Phone-Charger – nutzen dieses Prinzip, um einen Strom in einer nahen Receiver-Coil zu induzieren.

Die zweite Kategorie, radiative Kopplung, richtet einen Energie-Strahl – oft hochfrequente Radiowellen – auf einen Receiver, der abgestimmt ist, so viel von dieser Power wie möglich zu ernten.

Alignment zwischen Sender und Empfänger ist entscheidend für effizienten Energietransfer. (Bild: Molex Ventures)

Effizienz und Übertragungsreichweite sind die Schlüsselmetriken für beide Ansätze. Enge Kopplung verlangt präzises Alignment; beispielsweise hört eine Pfanne auf einem Induktionskochfeld sofort auf zu heizen, wenn sie vom Zentrum des Magnetrings abweicht. Smartphones nutzen eingebettete Magnete, um das Phone perfekt zentriert auf einem Ladepad zu halten – ein kleiner, aber essenzieller Engineering-Aufwand, der Ladezeiten dramatisch verbessert.

Auf größerer Skala stehen Wireless Charging für Elektrofahrzeuge ähnliche Alignment-Herausforderungen. Eine kürzliche Molex-Umfrage fand, dass 36 % der Automotive-Executives erwarten, dass Wireless Charging bis 2030 Standard-Feature wird. Während Handy-Ladegeräte typischerweise bei Zehner-Watt operieren, benötigen EVs 50 kW bis 250 kW, um Langstrecken-Reisen wettbewerbsfähig mit Verbrennungsmotoren zu machen. Selbst wenige Prozent Fehlausrichtung können hunderte Watt verschwendeter Hitze am Interface bedeuten.

Ein Konzept für Electric-Vehicle Wireless Charging Lanes? (Bild: Molex Ventures)

SAE Internationals J2954_202010 Standard adressiert viele dieser Issues, indem er Interoperabilität, elektromagnetische Kompatibilität, EMF Limits, Performance, Safety und Testing für stationäres EV-Charging definiert. Die Spezifikation deckt aktuell Above-Ground-Pads ab und adressiert noch nicht Flush-Mounted-Installationen, aber sie etabliert einen Rahmen für zukünftige Dynamic-Charging-Szenarien.

Der Standard umreißt auch ein Alignment-Protokoll, das Fahrern hilft, ihre Fahrzeuge mit Ladepads auszurichten – und die Bühne für autonomes Alignment in der Zukunft bereitet. Dennoch wird die Technologie robustes Engineering und disziplinierte Nutzergewohnheiten erfordern, um die Bequemlichkeit des Ansteckens an eine traditionelle Ladestation zu matchen.

Wireless Charging im Fahrzeug illustriert aktuelle Limitierungen: Ein Phone muss an einem spezifischen Spot platziert werden, um optimale Coil-Alignment zu erreichen. Selbst die fortschrittlichsten Consumer-Charger sind effektiv noch an einen festen Ort gebunden.

Verschiedene Formen von Ladepads: Rack, Pad, Cupholder (Bild: Molex Ventures)

Moderne Smartphones nutzen starke Magnete, um Alignment zu vereinfachen, aber die Erfahrung bleibt auf einen definierten Punkt beschränkt. Eine flüssigere User Experience würde erlauben, Geräte überall innerhalb eines bestimmten Volumens zu laden, ohne präzise Kopplung. Ossia, ein Molex Ventures-funded Startup, verfolgt genau diese Vision, indem es MIMO-Style Antennen-Arrays nutzt, um Power zu beamen, selbst wenn der Receiver nicht in direkter Line-of-Sight ist.

Ossias System emittiert ein regelmäßiges Signal von seiner Antenne, um mit nahen Geräten zu synchronisieren. Jeder Receiver broadcastet ein Beacon, das seine Präsenz und Power-Anforderung meldet. Der Transmitter misst die Phase jedes Beacons und nutzt diese Information, um einen kohärenten Energie-Strahl zum Gerät zu steuern. Mit mehreren Antennen kann der Transmitter Phasendifferenzen an jedem Element auflösen, was hochpräzises Beamforming ermöglicht, das sogar an Wänden reflektieren kann, um den Receiver zu erreichen.

Ein Gerät mit Ossia Cota Power Receiver sendet ein Beacon, um den Transmitter zu lokalisieren, der dann Power via gleichen Pfad liefert. (Bild: Molex Ventures)

Der Transmitter kann mehrere Geräte simultan unterstützen. Jeder Receiver sendet ein Power-Request-Beacon, und der Transmitter alloziert Power-Pulses proportional zu diesen Requests, was effiziente Verteilung innerhalb des Volumens sicherstellt.

Indem Power durch einen Strahl statt einer starren Coil geliefert wird, definiert dieser Ansatz neu, was wir „Wireless Charging“ nennen. Deckenmontierte Rauchmelder könnten unendlich laufen, und Roboterstaubsauger könnten ohne Docking operieren. Der Paradigmenwechsel bewegt sich von Charging zu Power Delivery, und erschließt neue Möglichkeiten für ubiquitäre, ungebundene Energie.

Genau wie Smartphones uns von kabelgebundenen Festnetzen befreiten, könnte ein wirklich volumetrisches Wireless Power System alltägliche Gewohnheiten transformieren. Der Schlüssel zur Realisierung dieser Vision liegt in Fortschritten bei Alignment-Sensoren, Thermomanagement und High-Efficiency Beamforming – Feldern, wo Expertise und fokussierte Forschung Fortschritte in Richtung einer zunehmend vernetzten, ungebundenen Welt beschleunigen können.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE Times Europe veröffentlicht.

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Lily Yeung ist Director of Corporate Development bei Molex, LLC und Vice President von Molex Ventures, LLC, einer Tochtergesellschaft von Molex. Durch Expertise in Finance, Research und Analysis sowie Emerging Technologies vereint, dient Lily nun an der Frontline, Innovation bei Molex und in der Elektronikindustrie zu fördern. Sie ist verantwortlich für die Förderung des unternehmerischen Ökosystems durch direkte Arbeit mit zukunftsorientierten Startups, Inkubatoren, Angel Groups, Venture Capital Firmen und Corporate Venture Capital Groups. Durch strategische Equity-Investments in vielversprechende Early-Stage-Unternehmen nährt Molex Ventures Startups mit dem größten Potenzial, positiven Impact auf Industrien und Gesellschaft zu machen.

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