Drahtlose Ladegeräte erreichen den Megahertz-Bereich

Dieser Artikel ist Teil unserer exklusiven IEEE Journal Watch-Reihe in Zusammenarbeit mit IEEE Xplore.

Viele Menschen freuen sich schon sehnsüchtig auf den Tag, an dem sie aufhören können, einen Stapel alter Ladekabel zu durchforsten, um das richtige zu finden. Doch trotz des aktuellen Erfolgs beim kabellosen Laden kleiner Geräte wie Telefone gibt es noch einige technologische Herausforderungen, die angegangen werden müssen, bevor wir vollständig drahtlos aufladen können – insbesondere wenn es um stromhungrigere Elektronikgeräte geht.

In einer am 23. Januar im IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics veröffentlichten Studie skizzieren Experten auf diesem Gebiet einige Möglichkeiten zur Überwindung dieser Hindernisse, darunter die Übertragung von mehr Energie bei höheren Frequenzen und die Optimierung der Ladeeffizienz ohne Überhitzung der Batterien.

Shu-Yuen Ron Hui, Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik der Nanyang Technological University, war an der Studie beteiligt und arbeitet seit Jahrzehnten an der Standardisierung der drahtlosen Energieübertragungstechnologie (WPT). Laut Hui konzentrierten sich die ersten WPT-Standards, die 2010 veröffentlicht wurden, lediglich darauf, sicherzustellen, dass Sender eines Unternehmens mit Empfängern eines anderen Unternehmens kompatibel sind. „Eine optimale Leistung wie maximale Effizienz und minimale Ladezeit stand jedoch nicht im Vordergrund“, stellt er fest.

Eine große Hürde beim Erreichen einer hohen Effizienz mit WPT ist die thermische Grenze von Batterien. Normalerweise benötigen Batterien zum Laden eine konstante Zufuhr von Spannung und Strom, was jedoch zu einer gefährlichen Erhitzung der Batterie führen kann. Aus Sicherheitsgründen reduzieren handelsübliche Batterieladegeräte den Ladestrom oder stoppen ihn sogar, wenn die Batterieoberflächentemperatur ihren oberen Grenzwert erreicht (typischerweise 45 °C).

Um dieses Problem anzugehen, entwickelten Hui und seine Kollegen eine neue temperaturregulierte Stromsteuerungstechnik, die die Ladezeit verkürzt, ohne den Akku zu überhitzen. Wenn diese Technik von Herstellern von WPT-Elektronik weit verbreitet wird, könnte dies dazu beitragen, die Ladeeffizienz der Technologie zu steigern.

Eine zweite Herausforderung besteht darin, mehr Leistung auf einmal zu übertragen. Die WPT-Technologie überträgt Energie mithilfe eines elektromagnetischen Feldes, und mithilfe höherer elektromagnetischer Frequenzen kann in einem bestimmten Zeitraum mehr Energie übertragen werden. Dafür ist jedoch Hardware erforderlich, die die Kraftübertragung bei außergewöhnlich hohen Geschwindigkeiten steuern kann.

Während bestehende Gate-Treiber eine Latenz von etwa 100 Nanosekunden haben, hat Hui einen mit einer Latenz von nur 6 ns entwickelt. Der neue Gate-Treiber, der gemeinsam mit Huis Kollegen Cheng Zhang an der Universität Manchester entwickelt wurde, erreicht ebenfalls Soft-Switching. Dies ist eine Technik, die Schaltverluste und Belastungen in den Leistungsschaltern reduziert und den Einsatz des Gate-Treibers bei viel höheren Frequenzen ermöglicht. Derzeit arbeiten die meisten WPT-Wechselrichter mit weniger als 1 Megahertz, aber die jüngste Erfindung des Teams kann bis zu mehreren zehn Megahertz erreichen.

In ihrem Artikel beleuchten die Forscher einen weiteren wichtigen Weg zur Optimierung der WPT-Technologie. Sie fordern die Hersteller von Sendern auf, Effizienz-Tracking-Technologien zu integrieren, die zur Optimierung des Ladevorgangs beitragen können. Eine kürzlich von Huis Team entwickelte Methode kann Sender so steuern, dass sie beim Laden der Batterie dynamisch dem Betriebspunkt mit maximaler Effizienz des WPT-Systems folgen. Dadurch wird die WPT-Systemeffizienz für den gesamten Ladevorgang optimiert.

Zusammen könnten diese neuen Technologien eine neue Ära für die WPT-Technologie einläuten. Derzeit gibt es Standards für das Laden kleiner Geräte wie Mobiltelefone, die 15 Watt oder weniger benötigen, und es gibt Pläne zur Schaffung von Standards für Geräte mittlerer Leistung, die etwa 200 W benötigen, wie tragbare Werkzeuge, Elektrofahrräder usw Notebook-Computer.

Aber der Grundstein für größere, leistungshungrigere Elektronikgeräte muss noch gelegt werden, und Hui und seine Kollegen wollen weiter voranschreiten.

„Wir sind derzeit auf der Suche nach einem Industriepartner für die Entwicklung und Evaluierung der von uns entwickelten ultraschnellen Gate-Treiberschaltungen, die den Betrieb von Wechselrichtern mit mindestens 20 MHz ermöglichen“, sagt Hui und weist darauf hin, dass sein Team auch ein Patent für a angemeldet hat gedruckter WPT-Resonator mit einer Betriebsfrequenz im Bereich von 1 Megahertz bis mehreren zehn Megahertz, der der Elektronik dabei helfen könnte, drahtlose Energie im Bereich von Hunderten von Watt zu übertragen.