Drahtloses Laden (Wireless Charging) hat das Potenzial, die Art, wie wir unsere tragbaren Elektronikgeräte täglich nutzen, zu ändern. Die Benutzerfreundlichkeit und der Komfort werden erhöht, da der Strombedarf des Geräts uns weniger einschränkt und keine unterschiedlichen Kabel beziehungsweise Netzteile für verschiedene Geräte mitgeführt werden müssen. Wireless Charging zuhause, im Büro und im öffentlichen Raum ist eine interessante Perspektive. Ein weiterer Ort, der sich zum Laden unserer tragbaren Geräte geradezu anbietet, ist das Auto.
Drahtloses Laden im Auto wird bereits seit Jahren diskutiert und kommt nun langsam in Fahrt. Es basiert auf der gleichen grundlegenden Wireless-Charging-Infrastruktur, die auch andere Einrichtungen aufweisen. Es müssen nur gewisse Änderungen berücksichtigt werden, die sich von den Standardimplementierungen unterscheiden.
Gängige Wireless-Charging-Standards verfügen über integrierte Handshake-Funktionen, über die sie kompatible Geräte erkennen und das Laden initiieren. Das HF-Signal, das dabei stets vorhanden sein muss, verbraucht eine große Menge an Energie, die aus der Fahrzeugbatterie entnommen wird und ein geparktes Auto nach ein paar Wochen mit einer entladenen Batterie hinterlässt. Auch HF-Störungen innerhalb des Fahrzeugs sollten beim drahtlosen Laden so wenig wie möglich auftreten, da bereits immer mehr Funkquellen wie Wi-Fi Hotspots und Mobilfunk oder auch elektromagnetische Störungen im Fahrzeug präsent sind.
NFC auf dem Vormarsch
Near Field Communication (NFC) scheint den Einzug in das Auto zu schaffen. Dieser stromsparende Kurzstrecken-Funkstandard wird in zahlreiche Anwendungen implementiert, zum Beispiel in POS(Point of Sale)-Anwendungen und Zutrittskontrollen. NFC ist auf dem besten Weg, im Handheld-Markt fast allgegenwärtig zu werden, da alle gängigen Smartphones bereits damit ausgestattet sind oder demnächst damit aufgerüstet werden. Auch im Fahrzeug erfreut sich NFC zunehmender Beliebtheit, vor allem bei Passive Keyless Entry (PKE), Entry-and-Go und dem automatischen Pairing von Smartphones mit dem Media-Center des Fahrzeugs. Dies ist nur der Anfang, da die Fahrzeughersteller ihre Autos mit immer mehr Möglichkeiten ausstatten, um sie zu personalisieren. Wenn das Mobilgerät des Fahrers an das Armaturenbrett angeschlossen ist, kann er vorher festgelegte Einstellungen und Präferenzen nutzen. Nach der automatischen Identifizierung des Nutzers kann dann das Herunterladen dieser persönlichen Einstellungen erfolgen. Die Innenbeleuchtung oder die Sitzposition lassen sich so automatisch an das jeweilige Profil anpassen.
Mit NFC als Grundlage für diese Funktionen macht es daher auch Sinn, diese Technik für das drahtlose Laden zu verwenden. Darüber hinaus steht eine stromsparende Funkverbindung zur Verfügung, die im Fahrzeuginneren dauerhaft betrieben werden kann. Das Fahrzeug kann dann feststellen, ob ein Smartphone oder ein anderes tragbares Geräte vorhanden ist, kann ein Handshaking durchführen und den Ladevorgang initiieren. Dabei wird nur wenig Strom verbraucht, und der Beitrag zu den HF-Emissionen im Fahrzeug ist äußerst gering.
Kooperation für Referenzdesign
Durch ihr jeweiliges Know-how in den Bereichen Automotive-taugliche NFC Transceiver und drahtloses Laden bieten Melexis und Freescale Semiconductor das gemeinsam entwickelte Referenzdesign WCT-5WTXAUTO an. Es umfasst die Hardware und zugehörigen Softwaretreiber, die für einen vollständig autonomen Betrieb eines Wireless-Charging-Subsystems erforderlich sind. Die Steuerung erfolgt über ein standardkonformes NCI (NFC Controller Interface). Das Design unterstützt damit einen Wireless Charging Transmitter (WCT) und NFC-Technik auf einem einzigen und einfach einsetzbaren Modul.
Melexis ist mit seinem Multi-Protokoll-Transceiver MLX90132 Vorreiter der NFC-Implementierung im Automotive-Bereich. Der Baustein ist Automotive-konform (AEC-Q100) und wird mit 13,56 MHz Taktfrequenz betrieben. Der NFC-Analogteil stellt eine NFCIP-2-Lesefunktion bereit und erfüllt die folgenden Standards: Reader/Writer, passive Peer-zu-Peer-Kommunikation, Initiator/Target und TAG-Emulation. Der Sender stellt bis zu 300 mW HF-Leistung an eine entsprechende Antennenlast bereit. Die duale Treiberarchitektur des Bausteins erfordert nur eine minimale Anzahl externer Bauteile.
Das Referenzdesign wird durch einen MWCT1003AVLH-Mikrocontroller (MCU) von Freescale vervollständigt. Die MCU unterstützt den NFC Low-Layer Stack und Freescales eigenen Wireless-Charging-Mechanismus. Das System kann entweder vollständig autonom laufen oder über standardkonforme High-Layer NFC Software-Stacks gesteuert werden. Über seine UART-zu-USB-
Schnittstelle schließt man das Referenzdesign an einen Rechner an. Die Frage der Koexistenz wird durch Hardware geregelt, da ein speziell entwickeltes leiterplattengedrucktes NFC-Antennendesign sowie eine in Software integrierte Steuerschnittstelle vorliegen. Die Antenne verfügt über eine optimierte Anpassung, die eine Verstimmung durch die Wireless-Charging-Spulen berücksichtigt und somit die Leistungsfähigkeit erhöht.
Die in das Referenzdesign integrierten Feld- und Tag-Detektoren sorgen in der Endanwendung für einen niedrigen Stromverbrauch und eine minimale Verlustleistung. Ein EMD-Algorithmus (Electro-Magnetic Disturbance) verbessert die Leistungsfähigkeit sowohl im Reader/Writer- als auch Peer-zu-Peer-Modus.
