Induktionsladegeräte / Qi-Ladegeräte – Kabellose Ladegeräte

Weg vom Kabelsalat & kein Suchen nach dem Ladekabel mehr – kabelloses Laden wird immer mehr zum neuen Standard in der Stromversorgung mobiler Geräte. Kabellos laden heißt induktiv laden, dabei wird elektrische Energie über eine kurze Strecke (Nahfeldübertragung) drahtlos von einer kabellosen Ladestation übertragen. Diese Technik hat bereits eine lange Geschichte wie etwa bei elektrischen Zahnbürsten. Auch im Verkehrs- und Industriebereich findet man diese Art der Energieversorgung. So gibt es zahlreiche Anwendungen, um Busse, PKW oder Förderfahrzeuge induktiv entweder an einem Ladeplatz oder über in der Fahrbahn eingelassene Ladespulen zu laden.

Im Bereich mobiler Geräte setzt sich induktives Laden über Qi-Ladestationen mehr und mehr durch. Anwendungsfälle für diese Art des Ladens gibt es genug:

Mobiltelefone
aktive Kopfhörer
Smartwatches
Akku-Elektrowerkzeuge
Spielzeuge
Serviceroboter (bspw. Saugroboter)

Ein induktives Ladegerät bzw. ein kabelloses Ladegerät bringt zudem einige Vorteile mit sich. Zunächst einmal erspart diese Art des Ladens die Suche und das Mitführen von Ladekabeln und Ladegeräten. Außerdem ist es für den Hersteller einfacher, seine Geräte robuster gegen das Eindringen von Feuchtigkeit wie z. B. beim Reinigen zu gestalten. Letztere Aspekt spielt auch in der medizinischen Gerätetechnik eine große Rolle.

Mit der Einführung eines einheitlichen Ladestandards kann man auch Ladepunkte in Form von induktiven Ladestationen an anderen Orten wie etwa im Zug, im Hotel oder in der Gastronomie nutzen. Zusätzlich benötigt man für mehrere Geräte, die nach diesem Standard ausgeführt sind, nur ein Ladegerät. Im besten Fall kann dieses sogar mehrere Geräte gleichzeitig laden.

Wie funktioniert ein Induktionsladegerät?

Induktives Laden kann man prinzipiell wie einen Transformator betrachten. Die Anordnung besteht aus einer Sende- und Empfangsseite. Die wesentlichen Elemente sind hier Spulen, die ein magnetisches Feld übertragen. Auf der Seite der Ladestation erzeugt ein Oszillator aus der Netzspannung ein magnetisches Wechselfeld. Gerät die Empfangsspule in dieses Magnetfeld, generiert sie in diesem Wechselfeld durch das Prinzip der Gegeninduktion eine (Wechsel-) Spannung. Die nachfolgende Elektronik erzeugt daraus eine Gleichspannung, die wiederum die Ladeschaltung des Geräteakkus speist.

Nach einem ähnlichen Prinzip wirken induktive Wärmeerzeuger wie der Induktionsherd oder der Induktionsschmelzofen. Hier wird allerdings das übertragende Magnetfeld dazu genutzt, ein ferromagnetisches Material (Eisen) über den entstehenden Stromfluss zu erhitzen.

Auch die bekannten RFID-Transponder funktionieren im Wesentlichen nach diesem Prinzip. Im Lesegerät befindet sich eine Sendespule, die im batterielosen Transponder über dessen Empfangsspule eine Spannung für die Versorgung der Transponderelektronik erzeugt, sodass dieser seine Identifikationsdaten aussenden kann.

Beim einfachen induktiven Laden ist es allerdings erforderlich, die Empfangsspule oder den zu erwärmenden Metallgegenstand mechanisch genau zentral gegenüber der Sendespule zu platzieren. Anderenfalls erfolgt kein oder kein ausreichender Empfang des Magnetfeldes, was in der Auswirkung eine stark verringerte Übertragungsleistung bzw. keine Übertragung nach sich zieht.

Dem hilft das Verfahren der resonanten induktiven Kopplung ab. Hier sind die eigentlichen Empfangsspulen den abgestimmten LC-Resonanzkreisen nachgeschaltet. Diese ermöglichen, vereinfacht gesagt, eine genaue Leistungsanpassung der Energiequelle und der Last auf Empfängerseite und steigern so den Wirkungsgrad. Resultat dieser Maßnahme sind:

höhere Übertragungsleistungen
höhere Übertragungsreichweiten
die Möglichkeit, auch mehrere Geräte gleichzeitig laden zu können

Außerdem muss man z. B. das Smartphone nicht ganz so exakt auf einer definierten Stelle der Ladestation platzieren – einfach auflegen im markierten Feld genügt.

Die Ladeleistung von induktiven Ladegeräten bzw. von Qi-Ladegeräten hat sich in den letzten Jahren erheblich gesteigert. Ursprünglich wurden nur 5 W übertragen, während heute 1 bis 15 W als Norm gelten. Leistungsstärkere Geräte mit 2 W gibt es bereits auch, sie sind allerdings bereits recht groß und erfordern eine aktive Lüftung. Sie sollen zukünftig vor allem bei leistungshungrigeren Geräten wie Notebooks zum Einsatz kommen.

Qi-Ladegeräte – Der Qi-Standard

Natürlich kann man die bisher beschriebene Ladetechnik auch nur universell nutzen, wenn man sie standardisiert. Es müssen technische Parameter wie Frequenzen, Leistungen und ein Kommunikationsprotokoll abgestimmt sein, sonst erhält man viele proprietäre Systeme, die untereinander nicht kompatibel sind.

Warum ein Kommunikationsprotokoll? Für die Sendeseite ist es wichtig, etwa den Leistungsbedarf des Empfängers mitgeteilt zu bekommen, um die Sendeleistung anpassen zu können. Ein Smartphone kann z. B. höhere Ladeströme verarbeiten als eine Smartwatch. Auch eine definierte Ladestromabsenkung gegen Ladeende und eine Abschaltung nach Vollladung sowie weitere Parameter müssen zwischen Quelle und Empfänger dynamisch ausgehandelt werden. Dies fasst man unter dem Begriff Powermanagement zusammen. Die Kommunikation erfolgt innerhalb des gleichen Frequenzbereichs wie dem der Energieübertragung, die im Bereich zwischen 1 und 25 kHz erfolgt.

Dabei hat sich vorerst der Qi-Standard (sprich: „chi” (engl. „chee”)), der chinesische Begriff für Energie durchgesetzt. Er wurde vom „Wireless Power Consortium” (WPC) als Standard entwickelt und etabliert. Dem Konsortium gehören zahlreiche namhafte Elektronikfirmen wie Chiphersteller und Gerätehersteller an.

Das WPC widmete sich ursprünglich ausschließlich der o. a. „einfachen” magnetischen Induktion, während die zweite bedeutende Organisation, die „Alliance for wireless power” (A4WP) sich auf die o. a. resonante magnetische Kopplung konzentriert. Durch die Fusion mit der „Power Matters Alliance”, die ebenfalls die magnetische Induktion präferiert, soll unter dem Namen „Airfuel Alliance” ein weltweit geltendes einheitliches Ladeverfahren etabliert werden. Auch hier findet man namhafte Mitglieder wie Samsung oder Qualcomm.

Alle neueren Qi-Empfängerdesigns können sowohl mit der induktiven als auch der resonanten Methode arbeiten, das Verfahren bestimmt dann allein der Sender.

Der offene Qi-Standard beinhaltet im Wesentlichen das Qi-Protokoll, das der Vereinheitlichung der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger dient. Es gibt hier allerdings mehrere Power Profile und Klassen, die z. B. nur das Basisprofil (BPP) von Qi bieten. Hier finden etwa eine Leistungsbegrenzung und eine vereinfachte unidirektionale Datenübermittlung statt.

Qi-Ladegeräte – Funktionsweise des Qi-Standards

Legt man das zu ladende Gerät auf die Ladefläche, meldet sich zuerst das Ladegerät beim Empfänger. Dieser wird hierdurch aktiviert und bestimmt ab jetzt die Abläufe. Zunächst meldet er dem Sender per Identifikations- und Konfigurationsmeldung, dass hier ein regulärer Empfänger wirkt und nicht ein zufällig aufgelegte Stück Metall. Dieses könnte, besteht es aus ferromagnetischem Material, u. U. wie auf einem Induktionsherd durch den auftretenden Wirbelstrom erhitzt werden. Erfolgt keine Identifikation durch den Empfänger, schaltet das Ladegerät die Ladeleistung nicht zu (Foreign Object Detection, FOD).

Im weiteren Zuge der Kommunikation teilt der Empfänger mit, ob überhaupt geladen werden soll – es kann ja der Fall auftreten, dass der Akku noch voll ist. Zudem wird laufend im Millisekundenbereich vom Empfänger mitgeteilt, wieviel Leistung benötigt wird. Dies wird begleitet von Fehlerkorrekturalgorithmen für eine sichere Übertragung. Ist das Laden gestartet, bestimmt nun der Empfänger die notwendige Ladeleistung, bevor er am Ende einen „End Power”-Befehl an den Lader sendet bzw. er sich über eine Zeit von 1,25 s nicht mehr meldet. Dann schaltet der Lader die Leistung ab.

Damit der Nutzer erkennen kann, dass es sich beim Gerät und beim Lader um ein Qi-zertifiziertes Gerät handelt, trägt dieses das Qi-Logo. Dieses darf der Hersteller führen, wenn er beim WPC lizensiert ist und das Gerät vom WPC auf seine Konformität zum Qi-Standard geprüft wurde. Ist die Lizenzierung erfolgt, nimmt das WPC das Gerät in seine Geräteliste auf.

Es gibt Geräte, die zwar technisch nach dem offenen Qi-Standard arbeiten, aber dennoch proprietäre Ladestationen bzw. Kopplungen nutzen. Beispielhaft dafür stehen die Apple Watch-Lader, die zwar auf Qi basieren, aber allein über eine proprietäre Spule die Apple Watch laden. Es gibt aber auch Qi-zertifizierte Ladepads, die nach dem Qi-Product Typ-Standard „Power Class Transmitter” arbeiten und über eine spezielle Ladefläche für die Apple Watch verfügen.

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