April 2014

Ladespulen für mobile Geräte und Elektrofahrzeuge

Die Zukunft ist drahtlos

Immer mehr Features in Smartphones und anderen mobilen Geräten stellen eine immer größere Herausforderung für die Energieversorgung dar.
Das breite Portfolio an TDK Tx- und Rx-Spuleneinheiten erfüllt die Anforderungen der Nutzer an ein komfortables, drahtloses Laden der Akkus.

Intensiv wurde in den vergangenen Jahren an unterschiedlichen Systemen zum drahtlosen Laden von Akkus geforscht. Inzwischen hat sich die Qi-Low-Power-Spezifikation (≤ 5 W) als führender Standard zur drahtlosen Energieübertragung für mobile Geräte etabliert. Der Qi-Standard wurde vom Wireless Power Consortium (WPC) mit Unterstützung der IEEE Industry Standards and Technology Organization (IEEE-ISTO) entwickelt und basiert auf elektromagnetischer Induktion. Ein in der Primärspule (Tx) der Ladeplattform erzeugter, hochfrequenter magnetischer Fluss wird von der Sekundärspule (Rx) des mobilen Geräts empfangen und dort in elektrische Energie umgewandelt, die dann den Akku des Geräts lädt.

Die drahtlose Energieübertragung durch elektromagnetische Induktion ist verhältnismäßig preiswert, kann allerdings nur über kurze Übertragungsentfernungen von etwa 10 mm effizient genutzt werden. Daher ist eine optimale Ausrichtung der Tx- und Rx-Spulen erforderlich. Das WPC hat die folgenden drei Positionierungsarten spezifiziert:

  • Die geführte Positionierung mit magnetischer Ausrichtung
  • Die freie Positionierung mit einer beweglichen Spule
  • Die freie Positionierung mit einer Spulenmatrix

Von diesen drei Qi-Positionierungen lässt sich die erste Variante mit der magnetischen Ausrichtung am einfachsten realisieren. Trotzdem stellt das Design des Magnetkreises eine große Herausforderung dar, da die Magnetkraft in der Mitte der Tx-Spule wirken muss, um das magnetische Material in der Mitte der Rx-Spule anzuziehen und beide Spulen optimal zu positionieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Geführte Positionierung mit magnetischer Ausrichtung

Der Magnet in der Mitte der Tx-Spule zieht das magnetische Material in der Mitte der Rx-Spule an und richtet beide Spulen optimal zueinander aus (links).
Der Aufbau ist einfach, aber das Design des Magnetkreises stellt eine große Herausforderung dar. Für das Magnetblech wird ein sehr leistungsstarkes magnetisches Material benötigt, um den Akku vor übermäßiger Erwärmung zu schützen und die Leistungsfähigkeit des Systems zu gewährleisten (rechts).

Zudem werden die Rx-Spulen nur dann nach dem Qi-Standard zertifiziert, wenn sie in allen drei Positionierungsarten eingesetzt werden können. Aus diesem Grund hat TDK Tx- und Rx-Spuleneinheiten entwickelt, die die Anforderungen des anspruchsvollsten magnetischen Positionierungsverfahrens erfüllen. Auf der Grundlage dieses Designs entstanden ebenfalls mehrere Tx- und Rx-Spulen, die die Positionierung nach dem Prinzip der beweglichen Spule und der Spulenmatrix unterstützen.

Ferrit-Technologie für Hochfrequenzanwendungen

Voraussetzung für das Design von Spulen zur magnetischen Positionierung ist die Nutzung geeigneter Magnetmaterialien. Daher besteht der Kern aus dem gleichen Ferritmaterial wie bei Transformatoren oder Drosselspulen. Dieses magnetische Material kann den von der Spule erzeugten magnetischen Fluss ausreichend absorbieren und bietet hohe Induktivitätswerte. Qi-konforme drahtlose Ladesysteme werden bei einer Frequenz von etwa 100 kHz bis 200 kHz betrieben. Da die für das drahtlose Laden verwendete Rx-Spule den hochfrequenten magnetischen Fluss ebenfalls effizient überträgt, wird sie in Verbindung mit einem abschirmenden Magnetblech eingesetzt. TDK verwendet sowohl für die Tx-Spule als auch für das Magnetblech modernste Ferritmaterialien.

Abbildung 2 vergleicht die Kennwerte von magnetischen Metallen und von Ferrit-Materialien. Die magnetischen Metalle bieten eine hohe Sättigungsflussdichte. Bedingt durch ihren geringen elektrischen Widerstand kommt es bei hohen Frequenzen allerdings zu stärkeren Wärmeverlusten durch Wirbelströme. Ferrite hingegen sind magnetische, keramische Werkstoffe, die einen großen elektrischen Widerstand mit niedrigen Wirbelstromverlusten kombinieren. Daher sind sie im Hochfrequenzbereich ein unverzichtbares magnetisches Material.

Abbildung 2: Vergleich von magnetischen Metallen und Ferrit-Materialien

Ferrit-Materialien (blau) zeichnen sich durch einen hohen elektrischen Widerstandsbereich aus. Dadurch treten selbst im Hochfrequenzbereich nur geringe Wirbelstromverluste auf. Demgegenüber bieten magnetische Metalle (rot) eine hoch gesättigte magnetische Flussdichte. Damit wird selbst bei großen Stromstärken kaum eine magnetische Sättigung erreicht.

TDK nutzt für die Rx-Spulen Magnetbleche aus Ferrit-Material. Diese Magnetbleche müssen in Smartphones und anderen Mobilgeräten möglichst dünn sein. Sind sie aber zu dünn, tritt eine magnetische Sättigung ein. In diesem Fall kommt es zu einem plötzlichen Abfall der Spuleninduktivität und eine drahtlose Energieübertragung ist nicht mehr möglich. Um zu verhindern, dass das Ladesystem den Punkt der magnetischen Sättigung erreicht, ist es erforderlich, leistungsstarke magnetische Materialien auszuwählen. Dies gilt insbesondere für das Magnetblech der Rx-Spule.

Induktivität erhöht, Verluste verringert

Bei der magnetischen Positionierung schützt das Magnetblech auf der Rx-Seite sowohl vor dem von der Tx-Spule generierten, hochfrequenten magnetischen Fluss als auch vor dem magnetischen Fluss des Magneten selbst. In Smartphones befindet sich die Rx-Spule für gewöhnlich zwischen dem Akku und der rückseitigen Abdeckung des Geräts. Ist die magnetische Abschirmung zu schwach, erreicht der hochfrequente magnetische Fluss das Akku-Gehäuse, welches häufig aus Aluminium besteht, und erzeugt auf der Oberfläche einen Wirbelstrom. Dieser führt zu einer unerwünschten Erwärmung des Akkus.

Bei Übertragungskonzepten ohne Magnet kann bereits ein sehr dünnes Magnetblech einen ausreichenden Schutz vor dem hochfrequenten magnetischen Fluss gewährleisten. Bei der magnetisch geführten Positionierung muss das Magnetblech entsprechend dick sein, um sowohl den magnetischen Fluss vom Magneten als auch den hochfrequenten magnetischen Fluss absorbieren zu können. In diesen Fällen sollte das Magnetblech stärker sein als bei Übertragungskonzepten ohne Magnet.

Das Material und die Dicke des Magnetblechs auf der Rx-Seite müssen daher so ausgelegt sein, dass keine magnetische Sättigung eintritt. In diesem Fall wird der magnetische Fluss vom Magneten durch das Magnetblech auf der Rx-Seite abgeleitet. Tests mit einem Aluminiumblech zur Simulation realer Anwendungsumgebungen haben ergeben, dass sich die Induktivität der Rx-Spule wesentlich verringert, wenn das Magnetblech zu dünn ist.

Umfassendes Portfolio an Tx- und Rx-Spulen

Um die von Herstellern und Anwendern an drahtloses Laden gestellten Anforderungen zu erfüllen, hat TDK ein breites Spektrum von Primär- und Sekundärspulen für die wichtigsten Qi-Spezifikationen des WPC entwickelt.

Primärspulen

Die Tx-Spulen von TDK sind für zahlreiche Low-Power-Spezifikationen (<= 5W ) des WPC einsetzbar (Tabelle 1).
Dazu zählen einzelne Primärspulen mit (Spezifikationen WPC A1 und A9) und ohne (Spezifikationen WPC A10 und A11) magnetische Positionierung. Für Ladegeräte, die eine freie Positionierung erlauben, wird auch eine lineare Matrix aus drei Spulen angeboten. Alle Tx-Spulen verwenden vom WPC zugelassene Ferritbleche. Es stehen extrem dünne und flexible Bleche zur Verfügung. Die Leistung der Spulen ist mit WPC-zertifizierten Geräten bestätigt worden.

Tabelle 1: TDK Tx-Spuleneinheiten

WPC-Spezifikation

A10: einzelne
Primärspule
ohne Magnet
A11: einzelne
Primärspule
ohne Magnet
A1 und A9: einzelne
Primärspule mit
magnetischer
Positionierung
A6: lineare
Matrix von
Primärspulen

Eingangsspannung [V]

19

5

19 (A1), 12 (A9)

12

Induktivität [µH]*

24

6,3

24

11,5 bis 12,5

Max.
Gleichstromwiderstand
[Ω]**

0,10

0,06

0,10

0,08

Ferrit-Typ

flexibel

flexibel

fest

flexibel

Magnet [mm]

--

--

12,5 × 2,0 (Bond
Mg)

--

Blechabmessungen [mm]

50 (Ø)

52 × 52

100 × 56

Windungszahl

20
(2 Schichten × 10)

10
(1 Schicht)

20
(2 Schichten × 10)

12 (× 3 Spulen)

Dicke (Spule + Blech) [mm]

3,13

2,08

4,63

2,53 (unten)

Dicke, einschl. E/A [mm]

--

3,13

--

4,03 (obere Spule)

Spulen-Außenabmessungen

43 (Ø)

53,2 x 45,2

* bei 100 kHz, 1 Veff.
** bei 25 °C

Sekundärspulen

Das Spektrum der Rx-Spulen deckt einen weiten Dickenbereich von 0,50 mm bis 1,25 mm ab, damit die Anforderungen zahlreicher drahtloser Ladeanwendungen berücksichtigt werden (Tabelle 2). Alle Rx-Spulen enthalten magnetisches Material, um eine magnetische Positionierung zu unterstützen. Ebenfalls angeboten werden Rx-Spulen mit einer kombinierten Antenne für die Nahfeldkommunikation (NFC). Es stehen angerissene Ferritplatten zur Verfügung, die unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen eine dauerhafte Konstruktion gewährleisten. 2012 hat TDK die weltweit dünnste Rx-Spule mit einer Dicke von nur 0,57 mm vorgestellt. Inzwischen wurde ein noch dünnerer Typ von nur 0,48 mm auf den Markt gebracht.

Die Rx-Module bieten eine einsatzbereite drahtlose Ladelösung, die aus einer Rx-Spule mit Attraktor und Steuereinheit besteht. Die Module sind nicht dicker als 1,0 mm. Kundenspezifische Designs sind auf Anfrage möglich.

Tabelle 2: TDK Rx-Spuleneinheiten

Typ

Rx-Spuleneinheiten

Rx-Spuleneinheiten
mit kombinierter
NFC-Antenne

Rx-Spulenmodule

Abmessungen [mm]

30 × 30
40 × 40
48 × 32

52 × 48

48 × 32

Dicke [mm]

0,52 bis 1,25

0,52 bis 0,62

1,0

Wirkungsgrad [%]

66 bis 73

69

72

Induktivität [µH]*

12,3 bis 19

16,5 bis 19,5
(Rx-Spule)

1,75 bis 1,95
(NFC-Antenne)

13

Max.
Gleichstromwiderstand
[Ω]**

0,20 bis 0,70

0,75 bis 0,80
(Rx-Spule)

0,46 bis 0,52
(NFC-Antenne)

0,27

Ausgangsspannung [V]

--

--

4,95 bis 5,05

Ausgangsstrom [A]

--

--

0,5 to 0,7

* bei 100 kHz, 1 Veff.
** bei 25 °C

Neue Anwendungsbereiche für drahtloses Laden

Die Vorteile der drahtlosen Energieübertragung sind nicht nur auf Mobilgeräte mit geringer Leistung beschränkt.
Für die Zukunft gehen Marktforscher davon aus, dass immer mehr Anwendungen zum drahtlosen Laden im mittleren Leistungsbereich bis 120 W, aber auch im höheren Bereich bis 1 kW entwickelt werden. Damit könnte das Netzkabel bei Haushaltsgeräten, PCs, Robotern und Elektrofahrzeugen bald der Vergangenheit angehören.

Die Automobilindustrie ist auf der Suche nach drahtlosen Ladesystemen für Elektrofahrzeuge. Gegenwärtig arbeitet TDK an drahtlosen Energieübertragungslösungen auf Grundlage von Magnetfeldern zwischen einer Primärspule (Tx) im Straßenbelag und einer Sekundärspule (Rx) im Fahrzeug (Abbildung 3). Ziel ist, für diese neue Hochleistungsanwendung geeignete Komponenten zu entwickeln.

Bei deren Entwicklung kommt TDK seine Materialkompetenz zugute: Die Ferrit-Technologien des Unternehmens zeichnen sich über einen weiten Temperaturbereich durch niedrige Kernverluste aus, womit sie sie sich für die drahtlose Energieübertragung bei Elektrofahrzeugen besonders gut eignen. Dank dieser leistungsfähigen Materialien und modernster Simulationsverfahren ist ein Prototyp Rx-Modul nicht größer als ein Blatt Papier im ­DIN-A4-Format.

TDK ist nicht nur Mitglied im WPC, sondern auch in der Power Matters Alliance (PMA) und in der Alliance for Wireless Power (A4WP). Das Unternehmen engagiert sich auf dem Gebiet der drahtlosen Ladesysteme sowohl mit Lösungen, die auf der elektromagnetischen Induktion beruhen, als auch mit Ausführungen auf Basis von Magnetfeldern.

Abbildung 3: Drahtlose Energieübertragung für Elektrofahrzeuge

Drahtlose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge basieren auf einem Magnetfeld zwischen einer Primärspule Tx im Straßenbelag und einer Sekundärspule Rx im Auto.

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