Wireless Power. Glossar Wireless Power

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1 Glossar Wireless Power 1

2 Index Wireless Power Airnergy PowerBeam Powermat Qi-Standard Wireless Power WiTricity, wireless electricity WPC, wireless power consortium WREL, wireless resonant energy link Impressum 2

3 Airnergy Airnergy ist ein von der Firma RCA geprägtes Kunstwort für ein technisches Konzept für die Aufladung von Handys und Smartphones per Funktechnik. Airnergy gewinnt aus der elektromagnetischen Strahlung von WLAN-Hotspots Energie mit der es Akkus von Handys und Smartphones aufladen soll. Theoretisch ist das auch möglich, in der Praxis gibt es allerdings erhebliche physikalische Einschränkungen. Diese liegen vor allem in der äußerst geringen Energiegewinnung, die abhängig ist von der Feldstärke und damit wiederum von der Entfernung zum Sender. Sie nimmt linear mit der Entfernung ab, die Leistungsflussdichte sogar quadratisch. Das bedeutet, dass eine Energieübertragung, wenn überhaupt, nur in unmittelbarer Nähe eine Hotspots stattfinden kann. In zehnfacher Entfernung vom Hotspot steht nämlich nur noch ein hundertstel der abgestrahlten Energie zur Verfügung. Unter diesen Voraussetzungen relativiert sich die drahtlose Energieübertragung, das Wireless Power, mittels Funk. Man sollte daher Airnergy mehr als gedanklichen Ansatz für die Zukunft sehen. Beim Airnergy-Konzept wird der Hotspot über die USB-Schnittstelle eines Rechners gespeist. Eine Energieübertragung findet nur unter den genannten Voraussetzungen statt. Sie ist allerdings äußerst gering und dürfte ja nach Entfernung zwischen dem Hotspot und dem WiFi-Hotspot für Airnergy, Foto: RCA Handy im Mikrowatt-Bereich liegen. 3

4 Neben dem Airnergy-Konzept gibt es mit PowerBeam und WiTricity zwei weitere funkbasierte Energieübertragungskonzepte. PowerBeam PowerBeam ist ein Laser-basiertes Konzept für die drahtlose Energieübertragung, dem Wireless Power. Es soll für alle Geräte einsetzbar sein, also nicht wie Airnergy ausschließlich für Smartphones und Handys oder wie Powermat für mobile Kleingeräte. Mit PowerBeam können Lampen und Verstärker, digitale Bilderrahmen, Handys, MP3-Player und andere Geräte drahtlos mit Strom versorgt werden. Wie aus der Bezeichnung PowerBeam hervorgeht, soll es Energie in Form von Wärme mittels Laserstrahl über größere Entfernungen zu den Geräten beamen. Sendeseitig gibt es den Powmitters, der die Energie in Wärme umsetzt, die empfangsseitig im Energieempfänger, dem Powceiver, in einer Art Solarzelle in Elektrizität rückgewandelt wird. Die PowerBeam- Übertragung setzt allerdings eine Sichtverbindung zwischen der Laser-Sendeeinheit und dem Energieempfangsgerät voraus. Wird diese unterbrochen, wird auch die Energieübertragung unterbrochen. Konzeptionell ist an Hotspots gedacht, die sich in privaten und öffentlichen Räumen befinden und die die Geräte mit Strom versorgen. Die derzeitige Energieübertragung liegt bei 1,5 W, allerdings sind Systeme mit einer Leistungsübertragung von 30 W und mehr in der Entwicklung. Powermat charging pad Das Aufladen der Akkus von batteriebetriebenen Mobilgeräten erfolgt bisher kabelgebunden mit AC-Adaptern, Ladegeräten oder Dockingstations. Daneben gibt es auch Induktions- und Funktechniken mit denen batteriebetriebene Kleingeräte wie Smartphones, Handys, MP3- Player, Digitalkameras, ipods oder andere mobile Kleingeräte drahtlos, ohne Kabelverbindung, 4

5 aufgeladen werden können. Diese Techniken werden unter der Bezeichnung Wireless Power geführt. Bei den kontaktlosen Akku-Ladesystemen handelt es sich um Systeme für die drahtlose Energieübertragung mit denen Akkus in Mobilgeräten aufgeladen werden können. Ausgeführt sind diese Ladesysteme als flache Ladematten auf die die zu ladenden Geräte draufgelegt werden und von denen sie die Energie empfangen. Entsprechenden Produkte heißen ecoupled, Powermat, Ladepad oder Power-Pad. Die Ladematten haben Induktionsspulen und bilden den Energiesender. Auf diese Ladematten werden die Mobilgeräte, die Energieempfänger, gelegt. In den Ladematten befinden sich spiralförmige Flachspulen, die mittels induktiver Kopplung Powermat für die kontaktlose Aufladung von Akkus, Foto: techtoy.de 5

6 die Energie auf die Energieempfänger in den Empfangsgeräten übertragen und damit die Akkus in den Mobilgeräten aufladen. Die Geräte müssen dazu mit einem kleinen Energieempfangsmodul ausgestattet werden. Zum Aufladen können gleichzeitig mehrere, vollkommen unterschiedliche akkubetriebene Mobilgeräte auf die Ladematte gelegt werden. Drahtlose Energieübertragung mit Datenprotokoll. Die Energieübertragung erfolgt über ein festgelegtes Datenprotokoll zwischen dem Energiesender, der Ladematte, und dem Energieempfänger. Das Ladeprotokoll berücksichtigt den Gerätetyp und den Betriebsmodus zwischen Ladematte und Empfangsmodul. Es erkennt, ob das Gerät ein Empfangsmodul hat, den Ladezustand der Akkus und welche Teile der Ladematte aktiviert werden müssen. Ladematten gibt es in unterschiedlichsten Größen für den häuslichen Einsatz, aber auch für Büroanwendungen. Da die verschiedenen Lösungsansätze noch nicht standardisiert sind, gibt es unterschiedliche Energieübertragungsund Ladesysteme, die sich in den Datenprotokollen und dem Wirkungsgrad der Ladungsübertragung unterscheiden. Standardisiert wird die drahtlose Energieübertragung vom Wireless Power Consortium, die mit dem Qi-Standard Kompatibilität bei den Energiesendern, den Übertragungs- und Ladevorrichtungen und den Energie-Empfangsmodulen herstellen wollen. Bei der kontaktlosen Energieübertragung sind entsprechende Sicherheitsvorschriften gemäß den CISPR-Standards einzuhalten. Der Vorteil der kontaktlosen Akkuladung liegt darin, dass unterschiedliche Geräte nebeneinander auf die Ladematte gelegt werden können und gleichzeitig geladen werden. Man benötigt somit nicht für jedes Gerät oder jeden Akku ein eigenes Ladegerät. Als Alternative zu den Ladematten hat RCA mit Airnergy ein funkbasiertes Energieübertragungskonzept entwickelt, mit dem Smartphones und Handys über Hotspots von WLANs geladen werden. 6

7 Qi-Standard Um eine Kompatibilität bei der Entwicklung der drahtlosen Energieübertragung zu gewährleisten, etabliert das Wireless Power Consortium (WPC), dem namhafte Unternehmen der Halbleiter-, Batterie- und Handy-Unternehmen angehören, den Qi-Standard, gesprochen chi. Der Qi-Standard ist ein universeller Standard für die Energiesender, die Übertragungsmodalitäten durch das Datenprotokoll, die Ladevorrichtungen und die Energie- Empfangsmodule, der die Interoperabilität der bisherigen proprietären Energieübertragungssysteme sicherstellen soll. Er definiert die grundlegenden Eigenschaften wie den Frequenz- und Leistungsbereich, die Positionierung der sende- und empfangsseitigen Flachspulen für die induktive Kopplung und den Empfängeraufbau. Der Qi-Standard wird in den induktiv arbeitenden Ladematten und Powermats bereits eingesetzt und soll eine Energieübertragung im Kleinleistungsbereich von bis zu 5 W ermöglichen. Der Wert von 5 W wird im ersten Standard System Description Wireless Power Transfer festgeschrieben. Die überarbeitete Version des Qi-Standards unterscheidet nicht mehr nur zwischen zwei Spulen-Bauarten, sondern zwischen neun Bauarten, und zwar in Bezug auf deren Größe, Ausführung und Anzahl der Spulen. Dabei wird zwischen rechteckigen, runden und bilifar gewickelten Spulen unterschieden. Bei den Mehrspulen-Sendern geht es um die Positionierung der einzelnen Spulen, um damit einen möglichst großen Bereich abzudecken. Zu den Mitgliedern des Wireless Power Consortium gehören u.a. Duracell, National Semiconductor, Olympus, Philips, Samsung, Nokia, Sanyo, Texas Instruments, ST-Ericsson und Energizer an. 7

8 Wireless Power Drahtlose Energieübertragung Bisher wird elektrische Energie über Kabel und Leiter übertragen. Es gibt allerdings einige Entwicklungen, die sich mit der drahtlosen und kabellosen Energieübertragung beschäftigen, von denen einige vielversprechend sind. Ein Konzept der drahtlosen Energieübertragung, der Wireless Energy Transmission oder Wireless Power, basiert auf Induktion, weitere auf elektrischen Feldern, dem Resonanzprinzip, und auf Funktechniken und ein viertes nutzt die Lasertechnik. Die verschiedenen Konzepte der drahtlosen Energieübertragung. Beim erstgenannten Konzept wird die Energie mittels induktiver Kopplung vom Energiesender, der Primärspule, zum Energieempfänger, der Sekundärspule, über die Magnetfelder übertragen. Bei diesem Prinzip erzeugt ein Wechselstrom in der Primärspule ein magnetsiches Feld, das in die Sekundärspule induziert wird und dort eine Induktionsspannung erzeugt. Das Verfahren stößt schnell an seine Grenzen, weil die optimale Energieübertragung nur bei exakter Ausrichtung der Spulen zueinander gewährleistet ist. Bekannte Beispiele hierfür sind elektrische Zahnbürsten und RFID. Neuere Entwicklungen nutzen die Induktionstechnik für das Aufladen der Akkus in Mobilgeräten, in ipods, iphones, Smartphones, Handys. Diese Techniken benutzen Ladematten mit eingelegten Flachspulen auf die die Geräte gelegt werden und sind bekannt als Powermat oder Power-Pad. Auch in leistungsstarken Anwendungen wie dem Antrieb von Autos, Bussen oder Straßenbahnen hat die elektromagnetische Induktion reelle Einsatzchancen. In Versuchen konnten Energieübertragungen von 100 kw realisiert werden. Bei dieser Technik werden die Primärspulen in den Boden von Parkplätzen eingelassen und die Sekundärspulen befinden sich unterhalb des Kraftfahrzeugs. Der Wagen wird über der Primärspule geparkt und über die induktive Kopplung wird die Batterie aufgeladen. Der Vorteil liegt darin, dass diese Technik keine Ladestation und kein Ladekabel benötigt. 8

9 Die Technik der induktiven Energieübertragung wird vom Wireless Power Consortium (WPC) vorangetrieben, die für diese Technik auch den Qi-Standard erarbeitet haben. Vom Induktionsprinzip abweichende Konzepte basieren auf elektrischen Feldern und dem Resonanzprinzip. Was die Energieübertragung über elektrische Felder betrifft, so nutzt man dabei ein quasistatisches elektrisches Feld zwischen zwei Geräten. Bei diesem Verfahren sind in beiden Geräten - dem Ladegerät und dem zu ladenden Gerät - koppelnde Platten untergebracht, die als Kondensator fungieren. Sind die Geräte nahe genug beieinander, dann Übertragungsprinzipien für Wireless Power 9

10 wird die Kondensatorplatten für die Energieübertragung genutzt. Für das Resonanzprinzip gibt es mit WiTricity und Wireless Resonant Energy Link (WREL) von Intel bereits realisierte Konzepte. Die funktechnischen Konzepte arbeiten mit elektromagnetischen Wellen, die von den Energieempfängern empfangen und umgesetzt werden. Airnergy ist ein solches funkbasiertes Konzept, das allerdings wie alle Übertragungstechniken physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Diese schränken die Ausdehnung insofern ein, als dass die Feldstärke linear mit Experimenteller Aufbau einer Energieübertragung nach dem Resonanzprinzip, Foto: cnet.de der Entfernung zwischen Energiesender und Energieempfänger abnimmt, und die Leistungsdichte sogar quadratisch. Das Laser-basierte Konzept, das bekannt ist als PowerBeam und dessen Technologie WiTrichy heißt, beamt Energie mittels Laser zum Energieempfänger, der die Wärme des Laserstrahls in eine Solarzelle in Energie umwandelt. Ganz so neu ist die drahtlose Energieübertragung auf Funkbasis allerdings nicht. Bereits Mitte des letzten Jahrhunderts gab es das Phänomen, dass in Häusern in der Nähe von Langwellensendern Glühlampen leuchteten, ohne dass der Strom eingeschaltet war. Dieses Phänomen basierte darauf, dass die elektrische 10

11 Verkabelung eine Langwellenantenne bildete und die hohe Sendeleistung, die mehrere hundert Kilowatt betrug, umsetzte. In anderen Fällen nutzten Findige den Gartenzaun als Antenne. Heute geht es dagegen um Sendeleistungen von einigen wenigen Watt. WiTricity, wireless electricity WiTricity ist ein Kunstwort aus Wireless und Electricity. Es ist eine Technologie für die drahtlose Energieübertragung von einem Energiesender zu einem Energieempfänger. WiTricity basiert auf der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Resonanzkreisen im Energiesender und Energieempfänger. Dies unterscheidet diese Technologie von anderen Verfahren der drahtlosen Energieübertragung mit induktiver Kopplung, wie beispielsweise Powermat, mit Laser-basierter Energieübertragung wie PowerBeam oder wie Verfahren mit funktechnischer Übertragung wie Airnergy. WiTricity-Systeme bestehen aus Energiesender und Energieempfänger. Beide Komponenten haben Antennen-Schwingkreise, die exakt auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Sie arbeiten im Nahfeldbereich, was bedeutet, dass das Empfangsgerät in einer Entfernung von einem Viertel der Wellenlänge sein sollte. Das können je nach Sendefrequenz mehrere Meter sein. Um eine effiziente Energieübertragung zu gewährleisten, müssen die Resonanzkreise über einen hohen Kopplungsfaktor miteinander gekoppelt sein. Die soll dabei um einige Zehnerpotenzen höher liegen als bei den Verfahren mit reiner induktiver Kopplung ohne Resonanzverfahren. Auch ist die Sendeleistung so gewählt, dass die Strahlenbelastung die einschlägigen FFC-Sicherheitswerte nicht überschreitet. WPC, wireless power consortium Die drahtlose Energieübertragung gewinnt zunehmend an Bedeutung und wird, zumindest was die induktive Energieübertragung betrifft, von dem Wireless Power Consortium (WPC) vorangetrieben. Wireless Power Consortium ist eine Organisation mit über 120 Mitgliedsfirmen 11

12 (2013), die die induktive drahtlose Energieübertragung fördern, Verfahren und Standards wie den Qi-Standards entwickeln, die Herstellerprodukte auf Kompatibilität testen, die Mitgliedsfirmen schulen und unterstützen. Zu den WPC-Unternehmen gehören Chiphersteller u.a. NEC, Toshiba, Texas Instruments, Infrastruktur-Anbieter, Hersteller von Mobilgeräten wie Toshiba, HTC, Nokia, Motorola usw. desweiteren Netzwerkprovider, Firmen der Wireless Power Technology und einige andere. Die induktive Energieübertragung basiert auf der Induktion zwischen zwei Spulen: Einer primären und einer sekundären Spule. Dabei erzeugt das magnetische Feld in der Sekundärspule eine Induktionsspannung, die zur Aufladung von Akkus von Mobilgeräten genutzt werden kann. wirelesspowerconsortium.com WREL, wireless resonant energy link Wireless Resonant Energy Link (WREL) ist eine Technologie für die drahtlose Energieübertragung, basierend auf elektromagnetischer Kopplung von Resonanzkreisen, vergleichbar WiTricity. Bei diesem von Intel entwickelten WREL-Verfahren haben Energiesender und Energieempfänger Antennen-Schwingkreise, die eine hohe Güte haben, exakt auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und über einen hohen Kopplungsfaktor miteinander gekoppelt sind. Das Verfahren ähnelt dem eines Transformators mit dem Unterschied, dass die Kopplung zwischen den Resonanzkreisen nicht über einen Transformatorkern erfolgt, sondern über Luft zwischen den Schwingkreisen im Energiesender und Energieempfänger. Wireless Resonant Energy Link arbeitet im Nahfeldbereich, was bedeutet, dass das Empfangsgerät in einer Entfernung von einem Viertel der Wellenlänge sein sollte. Das können je nach Sendefrequenz mehrere Meter sein. Um eine effiziente Energieübertragung zu 12

13 gewährleisten, müssen die Resonanzkreise eng gekoppelt sein. Der Wirkungsgrad ist abhängig von der Entfernung und liegt nach Herstellerangaben im Nahbereich bei über 70 %. Auch ist die Sendeleistung so gewählt, dass die Strahlenbelastung die einschlägigen FFC- Sicherheitswerte nicht überschreitet. Ziel dieser Entwicklung ist es, Räume mit Energiesendern auszustatten, ähnlich Hotspots, die alle im Raum befindlichen und mit WREL-Empfangseinrichtungen ausgestatteten Mobilgeräte aufladen, sobald diese im Bereich des Hotspots sind. 13

14 Impressum Wireless Power Urheber Klaus Lipinski Datacom-Buchverlag GmbH Dietersburg ISBN: Wireless Power E-Book, Copyright 2012 Trotz sorgfältiger Recherche wird für die angegebenen Informationen keine Haftung übernommen. Dieses Werk ist unter einem Creative Commons Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland Lizenzvertrag lizenziert. Erlaubt ist die nichtkommerzielle Verbreitung und Vervielfältigung ohne das Werk zu verändern und unter Nennung des Herausgebers. Sie dürfen dieses E-Book auf Ihrer Website einbinden, wenn ein Backlink auf gesetzt ist. Layout & Gestaltung: Sebastian Schreiber Titel: Yurok Aleksandrovich - Fotolia.com Produktion: Weitere Informationen unter 14