Wie ein neues Stromsystem das kabellose Laden verbessert

Der Aufstieg kabelloser Ladesysteme ist keine Überraschung. Diese Geräte bieten mehr Komfort und Flexibilität als ihre kabelgebundenen Gegenstücke. Allerdings verhindern mehrere einschränkende Faktoren, dass kabellose Ladegeräte zum Industriestandard werden.

Bemerkenswerterweise hat ein Team von Ingenieuren der Incheon National University kürzlich eingeführt ein neuartiges Energiemanagementsystem, das das Potenzial hat, kabellose Ladelösungen drastisch zu verbessern. Das neue System liefert stabile Energie und reduziert Störungen. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Wie funktioniert kabelloses Laden?

Hinter den Kulissen passiert viel, wenn Sie Ihr Telefon oder Ihre Smartwatch auf eine kabellose Ladestation legen. Diese Geräte ermöglichen die drahtlose Energieübertragung (WPT) ohne Stecker und durch Gehäuse mittels elektromagnetischer Induktion.

Elektromagnetische Induktion tritt drahtlos auf, nachdem eine drahtlose Sendespule, die sich in der Ladestation befindet, in die Nähe einer Empfangsspule kommt. Dieses Szenario lässt die Elektronen in der Empfangsspule schwingen und erzeugt ein elektromagnetisches Feld zwischen den beiden Spulen, das Ihr Gerät auflädt.

Resonanzschaltung

Eine der Schlüsselkomponenten von kabellosen Ladesystemen ist die Resonanzschaltung. Diese Geräte gleichen die Induktivität der Empfangsspule aus, um eine Frequenzresonanz zu erreichen. Sie spielen zudem eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Leistungsübertragung zum Gerät und der Senkung der Schaltimpedanz.

Resonanzabstimmung

Zur Kontrolle von Störungen und Systemleistung wird die Resonanzabstimmung eingesetzt. Diese Anpassungen nutzen häufig parallel kompensierte Empfänger, um die Betriebsfrequenz des Systems zu modulieren. Interessanterweise führt diese Modulation zu einer Diskrepanz zwischen der modulierten und der resonanten Frequenz, was die Leistung verringert.

Probleme mit kabellosen Ladesystemen heute

Kabelloses Laden weist derzeit einige gravierende Einschränkungen auf. Zum Beispiel ist es viel langsamer als kabelgebundene Alternativen. Außerdem muss Ihr Gerät für die meisten Ladesysteme sehr nah sein, damit sie korrekt funktionieren.

Elektromagnetische Interferenz

Die Stromversorgungssysteme und Resonanzschaltungen, die in heutigen kabellosen Ladestationen verwendet werden, können die resonanten Schaltungen anderer Geräte in der Nähe stören. Diese elektromagnetische Interferenz verringert ebenfalls die Effizienz und Leistung der kabellosen Ladestationen.

Niedrige Systemeffizienz

Traditionelle kabellose Ladesysteme können plötzlich und unerwartet Leistungsabfälle erleiden. Der Hauptgrund für diesen plötzlichen Leistungsverlust sind drastische Frequenzänderungen in den Resonanzschaltungen. Dieses Szenario führt dazu, dass Ihre Geräte sich erwärmen und langsam aufladen.

Lösungen zur Resonatorabstimmung

Seit dem Markteintritt des kabellosen Ladens wurden dem Sektor mehrere Abstimmungslösungen vorgestellt. Bemerkenswerterweise erfordern alle von ihnen eine Form zusätzlicher Hardware. Das Problem ist, dass diese Geräte die Komplexität, den Energiebedarf und die Gesamtabmessungen erhöhen. Außerdem sind sie teuer und können Experten benötigen, um die komplexen Steuereinstellungen zu bewältigen.

Qi-Standard für kabelloses Laden

Der heute am weitesten verbreitete Standard für kabelloses Laden ist der Qi-Standard. Diese Art von Ladestation kann einem Gerät aus einer Entfernung von etwa 4 cm drahtlose Energie liefern. Ihre Betriebsfrequenzen liegen zwischen 110 kHz und 205 kHz, und sie kann mehrere Geräte gleichzeitig laden.

Quelle – Torro

Qi ist beliebt, aber nicht effizient. Es ist langsam und kann dazu führen, dass Ihre Geräte sich erwärmen. Wenn Ihr Gerät heiß wird, kann dies die Batterieleistung im Laufe der Zeit verringern. Daher besteht ein direkter Bedarf an stabileren und effizienteren kabellosen Ladelösungen. Glücklicherweise steht eine Lösung bereits in Aussicht.

Studie zu verbessertem kabellosen Laden

Ingenieure der Incheon National University veröffentlichten in diesem Monat eine Studie mit dem Titel „Resonant Tuning Rectifier for Parallel Compensated Receivers in Wireless Power Transfer“¹ in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Industrial Electronics. Die Studie stellt eine neue Resonanzabstimmungs‑Gleichrichter‑Lösung vor, die stabile drahtlose Energie liefern kann und den Markt revolutionieren könnte.

Resonanzabstimmungs‑Gleichrichter (RTR)

Resonanzabstimmungs‑Gleichrichter (RTR) helfen, die Resonanzfehlanpassung von parallel kompensierten Empfängern (RX) zu korrigieren, die während Spread‑Spectrum‑Frequenzmodulationen auftritt. Um diese Aufgabe zu erfüllen, passt die Einheit autonom die effektive Kapazität an.

Dieser Schritt ermöglicht es dem RTR, die Resonanzfrequenz abzustimmen, indem er Steuersignale und den Strom des Systems synchronisiert. Sobald sie synchronisiert sind, kann das Gerät beginnen, etwaige Diskrepanzen zwischen intrinsischer Resonanz und Modulationsperioden zu kompensieren.

Konkret erreichte der Wissenschaftler die Abstimmung, indem er das Ausschalten des Gleichrichter‑MOSFETs mit dem Null‑Durchgang des Primärstroms synchronisierte. Das System nutzt eine integrierte Sensor‑Spule, um Phaseninformationen zu extrahieren und seine Ausgabe mit dem Primärstrom des Systems zu synchronisieren.

Test zum verbesserten kabellosen Laden

Um ihr verbessertes kabelloses Ladesystem zu testen, bauten die Ingenieure einen Prototyp einer 2,2 kW EV‑Ladestation. Die Fahrzeugladestation durchlief mehrere Testphasen. Während dieser Versuche sammelte das Team Daten zu Leistung, Effizienz, Interferenzpegeln, Stabilität und Auswirkungen auf Batterien. Die Ergebnisse waren beeindruckend.

Ergebnisse des Tests zum verbesserten kabellosen Laden

Die neue Stromversorgungs‑Konfiguration verbesserte die Leistung der Ladestation in allen Bereichen. Einerseits hielt sie eine Betriebsfrequenzmodulation zwischen 80 – 90 kHz aufrecht. Diese Frequenz ermöglichte es der Station, eine konstante Ausgangsleistung zu liefern.

Die Ingenieure stellten eine Effizienzsteigerung von 3,5 %–8,1 % fest, wenn das aufgerüstete Gerät verwendet wurde. Das neue System erreichte zusätzliche Effizienz durch seine automatisierten Systeme sowie die Zero‑Voltage‑Switching (ZVS)‑Einschalt‑ und Low‑dv/dt‑Ausschalt‑Funktion. Diese Funktion verhindert Leistungsverluste durch Schalten.

Vorteile der Studie zum verbesserten kabellosen Laden

Die Studie zum kabellosen Laden bringt zahlreiche Vorteile auf den Markt. Erstens bietet sie eine kostengünstige Alternative zum Status quo, die die Leistung verbessert. Darüber hinaus ermöglicht das minimalistische Design mehr Steuereinstellungen, die eine Echtzeit‑Anpassung an Anwendungsszenarien erlauben.

Stabile Stromversorgung

Der Hauptvorteil der aufgerüsteten Ladelösung ist die zuverlässige und stabile Stromversorgung. Dieser Vorteil ist entscheidend, um effektivere und nützlichere Elektronik zu schaffen. Das aufgerüstete System übertraf seine Vorgänger und liefert einen stabilen Stromdurchsatz mit minimalem Energieverlust.

Keine zusätzlichen Leistungskomponenten erforderlich

Ein weiterer großer Vorteil dieser Forschung ist die Eliminierung zusätzlicher Leistungskomponenten. Der neue RTR erfordert kein komplexes System oder zusätzliche Batterien, Kondensatoren oder andere sperrige Leistungskomponenten, die das Formfaktor des Geräts erhöhen würden.

Keine Steuerlogik erforderlich

In ähnlicher Weise eliminiert der aufgerüstete RTR die Notwendigkeit, komplexe Rückkopplungsschaltungen zu integrieren. Es wird viel Energie und Platz gespart, wodurch die Notwendigkeit von Sender‑Empfänger‑Kommunikationssystemen entfällt. Das Ergebnis sind kleinere und robustere Geräte.

Anwendungen des verbesserten kabellosen Ladesystems

Es gibt nahezu unendliche Anwendungsmöglichkeiten für Hochleistungsladesysteme. Neben der Stromversorgung Ihres Elektrofahrzeugs, Telefons oder Ihrer Uhr könnten diese Einheiten Computer, Sensoren und eine Vielzahl von Geräten mit Energie versorgen, um das Leben von Milliarden Menschen zu vereinfachen. Hier sind nur einige der potenziellen Anwendungen für Hochleistungsladestationen.

Medizin

Die Medizinbranche könnte diese Technologie nutzen, um effektivere Überwachungs‑ und Behandlungsprozesse zu schaffen. Diese Geräte könnten Patienten rund um die Uhr versorgen. Ingenieure haben bereits Wearables, Implantate und andere kritische medizinische Geräte untersucht, die diese Technologie nutzen könnten, um ihre Fähigkeiten zu verbessern.

Logistik

Eine weitere Branche, die von verbesserten kabellosen Lademöglichkeiten profitieren könnte, ist der Logistiksektor. Der Logistiksektor könnte diese Studie nutzen, um seine Tracking‑Systeme, einschließlich IoT‑Geräte, zu verbessern. Diese Geräte könnten dank kabelloser Ladelösungen eine rund um die Uhr Überwachung auf völlig neuem Niveau ermöglichen. In Zukunft werden Ihre Gegenstände durch IoT‑Sensoren in Lagerhäusern, Lastwagen und Geschäften gesichert sein.

Forscher des verbesserten kabellosen Ladesystems

Die Studie zum kabellosen Laden wurde von Forschern der Incheon National University in Incheon, Korea, geleitet, unterstützt von einem Team der University of Auckland in Auckland. Konkret trugen Saidul Alam Chowdhury, Seongmin Kim, Sangwon Kim, Inkui Cho und Duk Ju Ahn zum Papier bei. Jetzt strebt das Team an, die Fähigkeiten ihres Ladesystems zu erweitern und die Kosten zu senken, um eine großflächige Integration zu ermöglichen.

Unternehmen, die im Bereich kabelloses Laden führend sind

Der Aufstieg kabelloser Lademöglichkeiten hat dazu geführt, dass mehrere Unternehmen zu dominanten Akteuren auf dem Markt geworden sind. Diese Unternehmen spezialisieren sich auf Forschung & Entwicklung und bringen kontinuierlich leistungsfähigere und erschwinglichere Geräte auf den Markt. Hier ist ein Unternehmen, das aufgrund bedeutender technologischer Durchbrüche in der Branche erhebliche Renditen erzielen könnte.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) trat 2012 in den Markt ein. Sie wurde in San Jose, CA, gegründet und hat sich seitdem zu einem führenden Anbieter von kabellosen Ladesystemen entwickelt. Das Unternehmen bietet derzeit eine breite Auswahl an kabellosen Ladelösungen, die von herkömmlichen Pads bis hin zu langstrecken‑Lösungen für Lagerhäuser reichen.

Das Hauptprodukt von Energous Corporation ist das WattUp Wireless‑Power‑Netzwerk. Diese Geräte arbeiten mit IoT‑Einheiten zusammen, um eine langstrecken‑intelligente Ladung zu ermöglichen. Es nutzt funkbasierte Ladung und ist mit einer riesigen Auswahl an IoT‑Geräten und anderer Elektronik kompatibel.

WATT wird aus mehreren wichtigen Gründen als starke Ergänzung Ihres Portfolios angesehen. Erstens hat die Aktie in letzter Zeit positive Bewegungen gezeigt. Die führende Rolle des Unternehmens im Bereich kabelloses Laden sowie versprochene Technologie‑Updates treiben dieses Wachstum an.

Derzeit hat WATT eine Marktkapitalisierung von 10,791 Mio. $ und eine 52‑Wochen‑Spanne von 0,2800 – 2,7000. Wer einen renommierten Hersteller von Ladestationen sucht, sollte weitere Recherchen zu Energous Corp und dessen Angeboten in Betracht ziehen.

Neueste Informationen zu Energous Corporation

Kabelloses Laden wird schließlich zum Standard werden.

Es besteht kaum Zweifel daran, dass das kabellose Laden, sobald es die kabelgebundenen Alternativen einholt, zum Standard wird. Die Kosteneinsparungen, der Komfort und die Flexibilität machen das kabellose Laden weiterhin zur bevorzugten Option für Nutzer und Hersteller gleichermaßen. Daher könnte es nicht mehr lange dauern, bis Sie nie wieder ein Ladekabel oder eine Batterie suchen müssen.

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Studienreferenz:

^{1. Chowdhury, S. A., Kim, S., Kim, S., Cho, I., & Ahn, D. (2024). Resonant tuning rectifier for parallel compensated receivers in wireless power transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(12), 15664–15673. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3390737}