Laden ohne Kabel Qi und AirFuel auf dem Vormarsch

Viele neue Smartphones sind mit Drahtlos-Ladefunktionen ausgestattet, und moderne Autos können derartige Geräte aufladen. In Cafés rund um den Globus wird die Technologie testweise eingesetzt, und es gibt viele Evaluierungsplattformen für die unterschiedlichsten kabellosen Ladesysteme. Was steht angesichts dieser Faktenlage der Verbreitung kabelloser Ladetechnologie im Weg?

Das größte Dilemma sind die konkurrierenden Standards. Die Qi-Spezifikation des Wireless Power Consortium (WPC) und die diversen Spezifikationen der AirFuel Alliance stiften seit Jahren mit unterschiedlichen Technologien Verwirrung. Somit können Gerätehersteller den Verbrauchern kaum garantieren, dass sich Smartphones, Smartwaches, Tablets oder Laptops von überall aus aufladen lassen.

Hinzu kommen technische Herausforderungen. Bei Qi-Systemen dürfen die Ladespulen von Sender und Empfänger lediglich einige Millimeter voneinander entfernt und müssen einigermaßen gut ausgerichtet sein, um einen schnellen Ladevorgang zu ermöglichen. Das ist nicht der Fall, wenn ein Benutzer sein Handy zum Aufladen beispielsweise einfach auf einen Tisch legt.

Das aufzuladende Gerät und das dazugehörige Ladegerät müssen ebenfalls kommunizieren. Dafür gibt es verschiedene Strategien und Verfahren – von induktiver und kapazitiver Kopplung bis zur Magnetresonanz. Jede weist charakteristische Vor- und Nachteile auf. Gleichzeitig fordern Nutzer einen beschleunigten Ladevorgang – das heißt mehr Leistung –, was wiederum zu Sicherheitsproblemen bei Funktopologien führt, da sich etwa im Weg befindliches Metall erhitzen und Verletzungen verursachen kann. Schließlich darf nicht vergessen werden, dass Gerätehersteller stets die niedrigsten Gesamtkosten im Blick haben müssen.

Wireless Power Consortium

Das WPC ist ein 2008 gegründetes Konsortium, das sich mit der Entwicklung offener, kollaborativer Standards befasst und weltweit über 600 Mitgliedunternehmen zählt; allerdings muss erwähnt werden, dass viele dieser Unternehmen gleichzeitig auch im konkurrierenden Wireless-Verband AirFuel Alliance vertreten sind. Kurz nach ihrer Gründung veröffentlichte die Gruppe den Qi-Standard (ausgesprochen „Tschi“), der sich zur gängigsten Technologie für Smartphones und andere tragbare Mobilgeräte mit einer Leistung von 5 bis 15 W aufschwang. Dies erwies sich jedoch gewissermaßen auch als Hemmschuh für den Standard, da jede neue Innovation mit Systemen rückwärtskompatibel sein muss, die vor einem Jahrzehnt entwickelt wurden.

Qi basiert auf einem niederfrequenten, eng gekoppelten induktiven Lademechanismus, welcher gleichzeitig den kostengünstigsten Ansatz darstellt. Darüber hinaus hat das WPC auch einen Drahtlosstandard für Küchengeräte (200 W bis 2,2 kW) und einen Standard mittlerer Leistung für Elektrowerkzeug, Roboterstaubsauger, E-Bikes und andere batteriebetriebene Geräte (30 bis 65 W) entwickelt. Beide befinden sich noch in der Entwicklung und gehen das Problem der Rückwärtskompatibilität mittels verschiedener Technologien an.

Der Qi-Standard nutzt eine niederfrequente (112 bis 250 kHz) In-Band-Kommunikation mit niedriger Datenrate. Der mögliche Ladeabstand beträgt 3 bis 5 mm, was die Platzierungsmöglichkeiten spürbar einschränkt. Bei In-Band-Kommunikation werden die gesendeten Daten typischerweise über die zur Stromversorgung verwendete Drahtlosverbindung geleitet. Das Problem ist, dass diese Übertragung unidirektional vom Empfänger zum Sender erfolgt und der Empfänger kein Feedback an den Sender gibt. Das System funktioniert folglich nur, wenn ein einzelner Empfänger einem einzelnen Sender zugeordnet ist.

Es gibt Wege, dies zu umgehen, indem man mehrere separate Spulen oder ein Array und verschiedene Kommunikationsprotokolle verwendet, was jedoch in Problemen mit der Rückwärtskompatibilität und höheren Kosten resultiert. Bereits heute bieten Hersteller wie Texas Instruments und NXP eine Vielzahl an Single-Chip-Qi-Controllern an, die dazu beitragen können, die Kosten für einfache Drahtlosverbindungen zu senken.

AirFuel Alliance

Im Jahr 2015 schlossen sich die Alliance for Wireless Power (A4WP) und die Power Matters Alliance (PMA) zur AirFuel Alliance zusammen und konsolidierten somit zwei konkurrierende Technologien – namentlich kapazitives und resonantes Laden. Auf diese Weise wurde die Fragmentierung des Markts für Funkladetechnologie abgebremst. AirFuel setzt auf lose Kopplung mit einer höheren Frequenz von 6,78 MHz plus Backscatter-Kommunikation zwischen den Spulen. Dank dieser Kombination lassen sich mehrere Geräte gleichzeitig über eine einzige Sendespule aufladen. Dabei werden eine flexible Ausrichtung sowie Entfernungen von bis zu 5 cm unterstützt – ein weitaus größerer Ladeabstand als bei Qi.

Beim Backscatter-Ansatz ist der Sender in der Lage, Laständerungen innerhalb der Sendespule zu ermitteln, die auf der Empfängerspule hervorgerufen wurden. Durch die Kodierung von Daten innerhalb der Lastmodulationen auf der Empfängerspule ist der Empfänger in der Lage, ein Signal an den Sender zu übermitteln. Der Sender kann dann mit einem Demodulator auf die vom Empfänger bereitgestellten Daten zugreifen.

Aufgrund der größeren Reichweite, den besseren Installationsmöglichkeiten und Backscatter-Kommunikation kann die Senderspule etwa in die Oberfläche eines Möbelstücks eingebaut werden. Das erleichtert kabelloses Laden für den Benutzer und ebnet den Weg für eine reibungslosere Integration der Technologie durch den Dienstanbieter. Die lose Kopplung ermöglicht auch eine höhere Leistung (über 50 W) für Schnellladeverfahren, ist aber komplizierter zu implementieren als die eng gekoppelte Topologie.

Innerhalb von AirFuel entwickelt und pflegt das Magnetic Resonant Working Committee (MRWC) technische Spezifikationen für Technologien zur kabellosen Energieübertragung auf Basis von magnetischer Resonanz. Zu den Aufgaben des Komitees zählen die Erstellung von Spezifikationen für Konformitätstests sowie von Szenarien für Interoperabilitätstests zu resonanten und multimodalen Systemen. Zur gleichen Zeit entwickelt und pflegt das Uncoupled Working Committee (UWC) technische Spezifikationen für drahtlose Energieübertragung und Ladeverfahren auf Basis nicht-magnetischer Technologien wie HF oder Ultraschall und Laser, die eine größere Reichweite aufweisen.

Out-of-Band-Kommunikation bildet einen zentralen Bestandteil der AirFuel-Standards. Mit ihr kann eine ständige Kommunikation zwischen dem drahtlosen Leistungssender und dem zugehörigen Empfänger hergestellt und aufrechterhalten werden. Die Sender- und Empfängerelemente können zudem Metadaten zur Ladefähigkeit des jeweiligen Geräts austauschen, um die optimale Laderate zu ermitteln.

Auch Authentifizierungsverfahren und vielem mehr wird so der Weg geebnet. Dies ist möglich, da das Out-of-Band-Kommunikationsschema unabhängig von der Leistungsübertragung arbeitet. Dafür stehen verschiedene HF-Kommunikationsprotokolle zur Verfügung – von Bluetooth Low Energy (BLE) bis Zigbee. AirFuel empfiehlt BLE (bei 2,4 GHz), da dort ein Sender mehrere Empfänger gleichzeitig abdecken kann. Zudem unterstützt der Standardgeräte mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen und bietet eine höhere räumliche Flexibilität und Reichweite, Authentifizierungssicherheit, einen niedrigen Energieverbrauch und viele andere benutzerfreundliche Funktionen für die nächste Generation von Geräten im Internet der Dinge (IoT).

Neueste Spezifikation von Qi

Demgegenüber will das WPC jedoch nicht klein beigeben. Die neueste Senderspezifikation von Qi namens MP-A16 ermöglicht erstmals oberflächendurchlässiges Laden. Das bedeutet, dass nahezu jede Oberfläche ladefähig gemacht werden kann und Hardware in Tischen, Tresen und anderen Gegenständen verbaut werden kann.

Die Technologie besteht aus einer Senderspule, die unter der Oberfläche installiert wird, und einer Verstärkerspule, die darauf installiert wird, sowie Schnittstellen zum Empfänger. Durch den Einsatz eines Repeaters, der den über die Senderspule erzeugten magnetischen Fluss leitet, kann die Installation unter Oberflächen von 10 bis 30 mm Dicke durchgeführt werden. Die MP-A16-Sender bieten volle Kompatibilität mit der installierten Empfängerbasis des WPC – sowohl mit dem Baseline Power Profile (BPP) als auch mit dem Extended Power Profile (EPP) – bis maximal 15 W. Der zentrale Punkt hierbei ist, dass alle vorhandenen Qi-Geräte eine Ladefläche nutzen können, in die ein MP-A16-Sender eingesetzt wird.

Das WPC hatte die Erfahrung gemacht, dass ein wesentliches Hindernis für die großflächige Implementierung einer öffentlichen Ladeinfrastruktur darin lag, dass bei der Installation ein Loch in die betreffende Oberfläche gebohrt werden musste. Ladenbesitzer schreckten vor dieser nicht umkehrbaren und auch oft ästhetisch unschönen Maßnahme zurück. Sender, die auf dem neuen MP-A16-Standard basieren, kennen dieses Problem nicht: Sie ermöglichen eine unkompliziertere Installation drahtloser Ladestationen, bei welcher der Sender unter dem Tisch sowie ein Repeater-Sticker auf der Oberfläche angebracht werden.

Ein weiteres Arbeitsfeld des WPC ist das Laden in Außenbereichen. Kabelloses Laden im Freien ist besonders problematisch, da die Witterungsbedingungen, die auf die Technologie einwirken, jahreszeitlich bedingt stark schwanken – von extremer Hitze bis zu extremer Kälte, von grellem Sonnenschein bis hin zu starkem Regen oder Hagel und Schnee. Statt der Versorgung mit 5 V, wie sie in Innenbereichen üblich ist, ist hier eine Eingangsspannung von 12 oder 24 V vonnöten. Wasserdichte Verkapselungstechniken sind ebenfalls unerlässlich, um sicherzustellen, dass Feuchtigkeit niemals in das Ladegerät eindringt und die Ladetechnik, das geladene Gerät und vor allem der Benutzer in Sicherheit sind.

Verbreitung von Qi nimmt zu

Weltweit werden kabellose Ladetechnologien verstärkt im Freien installiert – so auch in Tschechien, wo eine oberflächenmontierbare, Qi-zertifizierte Funkladestation in eine Solar-Parkbank eingebaut wurde. Das WPC rechnet mit einer weiteren Zunahme der Verbreitung, da immer mehr Verbraucher ihre älteren Telefone durch neuere Modelle ersetzen, die mit Qi-Ladefunktionen ausgestattet sind.

Inzwischen stehen Entwicklern kabelloser Ladesysteme verschiedene interessante Optionen zur Auswahl. Bisher müssen Chiphersteller bei der Entwicklung allerdings die Vielzahl der verschiedenen Protokolle berücksichtigen.

Der Sender TS80000 von Semtech kann etwa Leistungen bis 40 W verarbeiten und unterstützt Qi, AirFuel sowie bestimmte proprietäre Protokolle. Er kann konfiguriert werden, um einzel- oder mehrspulige Anwendungen (in Halb- und Vollbrückensystemen) und die Dekodierung von Paketen aus dem sekundären Seitengerät zu steuern sowie die Steuerung entsprechend anzupassen. Ein integrierter PID-Filter sorgt für die notwendige Kompensation der Schleife zur hochpräzisen Regelung von Tastverhältnis, Frequenz und/oder Brückenspannung.

Soweit sich absehen lässt, werden sich die beiden Standardgruppen auch weiterhin nicht bedeutend annähern. Jede Seite entwickelt einander sehr ähnliche Standards, kommt aber gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen. Halbleiterhersteller müssen jedoch auf Nummer sicher gehen; deshalb kombinieren sie die Protokolle in programmierbaren Chips, um Systementwicklern maximale Flexibilität zu bieten.