Wireless Power Glossar Wireless Power

Wireless Power
Glossar
Wireless Power
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Index Wireless Power
Airnergy
PowerBeam
Powermat
Qi-Standard
Wireless Power
WiTricity, wireless electricity
WPC, wireless power consortium
WREL, wireless resonant energy link
Impressum
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Wireless Power
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.
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Wireless Power
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 PowerBeamÜbertragung 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, MP3Player, Digitalkameras, iPods oder andere mobile Kleingeräte drahtlos, ohne Kabelverbindung,
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Wireless Power
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
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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.
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Wireless Power
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 EnergieEmpfangsmodule, 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.
http://www.wirelesspowerconsortium.com
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Wireless Power
Wireless Power
Drahtlose
Bisher wird elektrische Energie über Kabel und Leiter übertragen. Es gibt allerdings einige
Entwicklungen, die sich mit der drahtlosen und kabellosen Energieübertragung beschäftigen,
Energieübertragung
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.
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Wireless Power
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
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Wireless Power
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
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
Experimenteller Aufbau einer Energieübertragung nach
dem Resonanzprinzip, Foto: cnet.de
Strom eingeschaltet war. Dieses Phänomen
basierte darauf, dass die elektrische
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Wireless Power
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
WiTricity ist ein Kunstwort aus Wireless und Electricity. Es ist eine Technologie für die
electricity
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
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Wireless Power
(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.
http://www. 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
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Wireless Power
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 FFCSicherheitswerte 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.
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Impressum
Wireless Power
Urheber
Klaus Lipinski
Datacom-Buchverlag GmbH
84378 Dietersburg
ISBN: 978-3-89238-250-8
Wireless Power
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