Qi – induktives Laden ist die Zukunft

 

WPC Qi Logo

Abb. 1: WPC-Logo

Die Nutzung moderner Gadgets ist leider stark abhängig von der Kapazität des integrierten Akkus. Bei intensiver Nutzung geben viele Geräte schon nach wenigen Stunden den Geist auf. Technologische Fortschritte im Bereich der Akkumulatoren blieben leider bisher aus oder wurden noch nicht in aktuelle Smartphone-Modelle integriert. Eine längere Akkulaufzeit wird oft nur durch die Verwendung größerer Kapazitäten erreicht und beansprucht kostbares Gehäusevolumen. „Wireless Charging“ ermöglicht ein leichtes, unkompliziertes aufladen, ohne unnötigen Kabelsalat. Zu jeder Zeit kann das Smartphone auf die Ladestation abgelegt werden und beginnt mit dem Ladevorgang. Das kontinuierliche Laden ermöglicht eine intensivere Nutzung, ohne leidliche Energieengpässe und ohne Einschränkungen in der Handhabung. Qi (ausgesprochen „Schi“) ist ein proprietärer Standard (Anm. v. Phone-Tuning24: Herstellergebunden an die WPC) zur drahtlosen Energieübertragung. Die Übertragung erfolgt per elektromagnetische Induktion, d.h. ein Magnetfeld induziert eine elektrische Spannung, die zum Aufladen eines Elektrogeräts genutzt werden kann. Der Begriff Qi bedeutet in Mandarin (Anm. v. Phone-Tuning24: „chinesisch“) soviel wie Lebensenergie und soll auf einen „nichtgreifbaren Energiefluss“ hindeuten. Entwickelt wurde die Qi-Technologie von Wireless Power Consortium (WPC). WPC wurde 2008 gegründet und besteht aus einer offenen Kooperation aus amerikanischen, asiatischen und europäischen Unternehmen, darunter Größen wie Logitech, LG, Nokia, HTC, Samsung und TÜV Rheinland.

Induktion

 

Abb.2: Elektronengasmodell mit den positiven Atomrümpfen (rot) und den freibeglichen Elektronen (blau).

Abb. 2: Elektronengas-Modell eines Metalls mit positiven Atomrümpfen (rot) und freibeweglichen Elektronen (blau).

Ein Induktionsstrom entsteht, wenn ein Metallstab in einem magnetischen Feld bewegt wird. Dabei ist die relative Bewegung entscheidend, d.h. der Metallstab muss sich im Magnetfeld bewegen oder das Magnetfeld um den Metallstab damit eine Spannung erzeugt wird. Ein Metall besteht aus einer Vielzahl von Bindungen elementarer Metallatome. Eine solche Bindung nennt man Metallbindung und kann neben dem quantenmechanischen Bändermodell auch über das Elektronengasmodell beschrieben werden. Das Elektronengasmodell beschreibt den Aufbau von Metallen. Die positiv geladenen Atomkerne sind dabei fest stationiert und werden als Atomrümpfe bezeichnet. Um diese Atomrümpfe können sich die negativgeladenen Elektronen freibewegen (Abb.2) und damit elektrischen Strom leiten. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, bewegt sich diese sogenannte Elektronengaswolke (negative Ladung) zu dem positiven Pol hin und generiert einen Stromfluss. Allgemein bezeichnet man einen Strom von geladenen Teilchen (z.B. Elektronen) als elektrischen Strom. Die positiven Atomrümpfe behindern die Elektronen beim „durchfließen“ des Metalls und bilden den elektrischen Wiederstand.

 

Induktion

Abb. 3: Induktion

Ein Metall besitzt die gleiche Anzahl positivgeladener Teilchen (Protonen) wie negativgeladener Teilchen (Elektronen), ist also elektrisch neutral. Wenn ein Metallstab senkrecht zu einem Magnetfeld (B) bewegt wird, erfährt der Metallstarb eine Kraft (Anm. v. Phone-Tuning24: Die Lorentzkraft). Diese Kraft sorgt, ähnlich wie die Zentrifugalkraft wenn wir eine schnelle Kurve durchfahren dafür, dass man nach Außen gedrückt wird, nur das im Falle der Lorentzkraft (FL) die Elektronen nach Außen gedrückt werden. Die negativen Elektronen sammeln sich auf der einen Seite des Metallstabs und erzeugen einen negativen Pol wie bei einem Magneten. Das Fehlen der negativen Ladungen an der anderen Seite macht diese automatisch zum Pluspol. Es entsteht ein elektrisches Potential, also eine Spannung (U) zwischen den beiden Metallenden, die dafür sorgt, dass die Elektronen vom überschüssigen Minuspol zurück zum Pluspol „gedrückt“ werden und so beispielsweise genutzt werden um einen Akkumulator aufzuladen. Die Spannung wird solange aufrecht gehalten, solange ein Ungleichgewicht  zwischen dem Metallenden besteht. Sobald die überschüssigen Elektronen vom negativen Pol durch die Spannung zum positiven Ende „zurückgedrückt“ wurden, ist das Metall wieder elektrisch Neutral und der Ladevorgang beendet.

Prinzipiell kann anstatt eines Metallstabs und einer elektromagnetischen Spule, auch zwei elektromagnetische Spulen verwendet werden. Dabei stellt der Experimentalphysiker Michael Faraday 1831 fest, dass anstatt einer Bewegung auch eine Änderung des Magnetfeldes ausreicht um einen Induktionsstrom zu generieren. Die Änderung eines Magnetfeldes kann durch simples Ein- und Ausschalten bei einer der Spulen erzeugt werden oder alternativ durch die Verwendung von Wechselstrom. Diese Erkenntnis bildet den Grundstein für den Aufbau moderner Qi-Ladestationen, die z.B. von der Firma Zens vertrieben werden.

Qi Ladevorgang am Nokia Lumia 920 und iPhone 5

Abb. 4: Ladevorgang am Nokia Lumia 920 & iPhone 5

Qi

 

Flächenspulen des Qi-Standards

Abb. 5: Flächenspulen des Qi-Standards

Der Qi-Standard benötigt zwei elektromagnetische Spulen, einen Transmitter und einen Receiver. Die Spulen sind als Flächenspulen (Abb. 5), flach im Gehäuse des Smartphones und der Ladestation integriert. Der Transmitter sitzt dabei in der Ladestation und erzeugt durch Wechselstrom, variierende Magnetfelder. Im Smartphone-Gehäuse wird der benötigte Receiver integriert. Wird dieser in die Nähe des Magnetfeldes gebracht (zwischen 0,5 cm bis 4 cm), wird eine Spannung erzeugt welche zum aufladen des Akkus genutzt wird. In handelsübliche Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist Energie in Form chemischer Energie gespeichert. Die chemische Energie kann in elektrische Energie überführt werden und zum betreiben eines elektronischen Geräts genutzt werden (Anm. v. Phone-Tuning24: Nachdem Prinzip einer galvanischen Zelle). Im Fall eines Lithium-Ionen Akkus werden dazu Lithium-Atome zu Lithium-Ionen oxidiert und andere Metall-Ionen (das verwendete Metall ist abhängig von Akkutyp) werden zu Metallen reduziert (Anm. v. Phone-Tuning24: RedOx-Reaktion). Wurden alle Lithium-Atome oxidiert, herrscht keine Spannung mehr zwischen den Elektroden (Plus- und Minuspol) und die Batterie ist „leer“. Die durch Induktion erzeugte Spannung wird dazu genutzt, um die chemische Energie zu regenerieren, d.h. die Lithium-Ionen werden wieder zu Lithium-Atomen reduziert. Dies erfolgt im Prinzip genauso wie der Vorgang zur Umwandlung von chemischer zur elektrischer Energie, nur in umgekehrter Richtung. Wurde eine ausreichende Menge an Lithium-Ionen wieder zu Lithium-Atomen umgewandelt, ist der Akku wieder aufgeladen und das Gerät kann erneut mit Energie versorgt werden.

 

Galvanische Zelle

Abb. 6: Darstellung der Funktionsweise einer Batterie anhand der galvanischen Zelle.

Zukunft von Qi

 

Qi und zukünftige Innovationen sind die Zukunft des modernen Auflade-Standards. Die einfache Handhabung, eines Qi-Ladegeräts ermöglicht uns zu jederzeit, ein unkompliziertes Aufladen des Akkus. Es erfordert keinen aktiven Aufladeprozess mehr, dass ein Ein- bzw. Ausstecken des Ladekabels benötigt. Das Smartphone kann einfach an die vorgesehene Stelle abgelegt werden und schon beginnt das Laden. Das Gerät wird fast schon „passiv“ mit Energie versorgt und garantiert eine kontinuierliche Nutzungen, ohne Energieengpässe. Schon heute werden Qi-Ladegeräte in manchen Cafés und Flughäfen integriert und machen uns unabhängig von den verschiedenen Ladekabeln, unterschiedlicher Hersteller (Anm. v. Phone-Tuning24: Üblicher Standard ist der Micro-USB Stecker). Sollte es mittelfristig gelingen die Reichweite des Transmitters, energiegünstig und komplikationsfrei, auszuweiten, wäre es möglich allein durch den Aufenthalt in einem Raum, seine elektronischen Geräte zuladen. Auch Apple arbeitet vermutlich an einer Ermöglichung, des induktiven Ladens, in ihren mobilen Geräten. Darauf weisen einige Patentanträge, in denen beispielsweise ein Receiver in das „Smartcover“ integriert wurde und zum Laden des iPads genutzt werden kann. Aber auch wenn potentielle Geräte wie das iPad Air 2 (iPad 6) oder ein iPhone 6 eine solche oder ähnliche Technik nutzen werden, ist die Verwendung des Qi-Standards, seitens Apple, recht unwahrscheinlich. Apple ist kein Mitglied der WPC (Anm. v. Phone-Tuning24: Entwickler des Qi-Standards) und ist bekannt dafür, auf ihre eigenen Entwicklungen zu setzen. Der Gebrauch von proprietären Entwicklungen, die auf einen Hersteller beschränkt sind, führt leider häufig zu teuren und nur bedingt wiederverwendbaren Geräten. Auf Dauer werden dadurch technische Weiterentwicklungen gehemmt. Daher hoffen wir, dass Apple von dem Konzept abweicht und dieses Mal auf einen etablierten Standard setzt, der ein Aufladen mit allen verfügbaren Qi-Ladestationen ermöglicht.

 

Problematik bei Qi

 

Trotz aller Möglichkeiten die induktives Laden bietet, gibt es leider auch ein paar Schattenseiten, die erwähnt werden müssen. Die erreichten Ladeströme sind geringeren als bei kabelgebundenen Ladegeräten und resultieren sich in einer erhöhten Ladezeit. Im Durschnitt verlängert sich die Ladezeit um etwa 33%. Der geringere Wirkungsgrad ist leider bauartbedingt, da ein relativ großer Anteil der elektrischen Energie, nicht zum Laden des Akkus verwendet wird sondern durch den elektrischen Wiederstand des Receivers, in Wärme umgewandelt wird. Natürlich tritt auch bei der Verwendung von Kabeln Reibung auf, die zu einer erhöhten Wärmeproduktion führen aber die Ausprägung ist sehr viel geringer als beim „wireless charging“. Des Weiteren ist die Wärmeentwicklung auf die Länge eines Kabels verteilt und kaum spürbar. Beim induktiven Laden sitzt die zusätzliche Wärmequelle (Anm. v. Phone-Tuning24: Der Receiver) meist direkt über dem Akku. Akkumulatoren sind wärmeempfindliche Bauteile und daher ist die Temperatur entscheidend  für deren Haltbarkeit. Eine zusätzliche Hitzequelle in Form eines Receivers kann die Lebenserwartung negativ beeinflussen. Der Vorteil von Induktionsgeräten liegt in der bequem möglichen, kontinuierlichen Nutzung der Ladefunktion. Ein Lithium-Ionen-Akku besitzt aber in der Regel nur einige tausend Ladezyklen an Lebensdauer. Durch kontinuierliches Laden werden diese natürlich auch schneller erreicht. Trotzdem sollte die Lebensdauer eines Smartphone-Akkus über die üblichen 2 Jahre hinausgehen. Bei unseren Testgeräten jedenfalls wurden noch keine Nachteile, durch die Verwendung von induktiven Ladegeräten, festgestellt. Daher überwiegen für uns, die Vorteile des „wireless charging“ gegenüber den herkömmlichen, kabelgebundenen Geräten.

Marvin Petry

Ich bin Mitarbeiter im Unternehmen Phone-Tuning24 und interessiere mich für alles, was mit Smartphone & Tablet PC Technik zu tun hat. Gerne können Sie mich diesbezüglich in jeder Hinsicht kontaktieren. Entweder über diesen Blog oder auch per E-Mail.

3 Kommentare zu “Qi – induktives Laden ist die Zukunft”

  1. Hi Marvin,

    ein schöner Beitrag.

    Wenn Apple ebenfalls einen ähnlichen Qi-Standard in das neue iPhone 6 einbauen würden, wäre es dann nicht zwangsläufig dicker als sein Vorgänger? Durch die Spulen müsste man doch dann auf eine dünne Bauweise verzichten… Ein angebliches iPhone air (extrem dünn) wäre ja dann zwangsläufig nicht möglich. oder wie siehst du das?

  2. Marvin Petry sagt:

    Hallo erst einmal vielen Dank für Ihr Lob. Die Integration einer Spule würde wahrscheinlich, wie von Ihnen postuliert, zu dickeren Gehäuse Abmessungen führen. Vielleicht überrascht uns aber Apple und spart das zusätzliche Volumen an anderen Stellen ein – das iPad Air verwendet für den Touchsensor einen Cycloolephin-Polymerfilm anstatt den üblichen Glassensor und spart so Bauhöhe – vielleicht könnte auch beim iPhone so zusätzliches Volumen vermieden werden. Ich denke aber auch, aufgrund der neusten Gerüchte bezüglich einer Gehäusestärke von nur 6 mm, dass die Integration unwahrscheinlich ist und eher ein iPhone Air erscheint.
    Viele Grüße
    Marvin

  3. Max Fischer sagt:

    Guten Tag zusammen,

    vor kurzer Zeit habe ich auch etwas über eine neue Wireless Lademöglichkeit nachgelesen namens Magnetresonanz beim Galaxy S5. Im Vergleich zu Qi soll es den Vorteil haben, dass man das Smartphone nicht mehr direkt auf das Ladekissen oder Ladestation zu legen braucht. Es reicht wenn man das Gerät in die Nähe der Station hinlegt. Bin gespannt ob es implementiert wird, denke aber das es aufgrund der hohen Kosten nicht gemacht wird.

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