IIoT & Energietechnik
Eine Ladestation, die Drehmomentwerkzeuge ohne Ladekontakte lädt
Konzept, Hardware und Konfiguration einer kontaktlosen Ladestation für Drehmomentwerkzeuge nach Qi-Standard, vom Proof-of-Concept bis zur EMV-Voruntersuchung.
Die Aufgabe
Ein Drehmomentwerkzeug mit Akku wird zwischen zwei Einsätzen abgelegt, und diese Ablage ist der natürliche Ort zum Laden. Ladekontakte am Gehäuse sind dafür der übliche Weg, aber in einer Werkstatt sind Kontakte auch die Stelle, an der Schmutz und Verschleiß ansetzen. Kontaktloses Laden nimmt diese Stelle weg: Das Werkzeug wird abgelegt und lädt.
Der Auftraggeber wollte dafür eine eigene Ladestation nach Qi-Standard, die zu seiner Werkzeugfamilie passt. Anders als ein Smartphone auf einer Ladematte liegt ein Werkzeug mit Metallanteilen und eigener Gehäuseform auf der Spule, und die Station darf nur dann Leistung übertragen, wenn ein passender Empfänger aufliegt, und muss bei metallischen Fremdobjekten begrenzen oder abschalten.
Die Lösung
Die Ladestation ist in zwei Leiterplatten geteilt: eine Senderplatine mit dem Qi-Sender-IC, dem Inverter, der Spannungsregelung und der Messung des Spulenstroms, und eine Spulenplatine mit der Sendespule und den Anzeigeleuchten, die sich frei zur Gehäuseform positionieren lässt. Die Versorgung kommt über USB; der Kabelschirm ist an das Bezugspotenzial der Station angebunden.
Der Weg dorthin begann mit einem Proof-of-Concept auf Evaluationshardware, an dem geprüft wurde, ob Kopplung und Leistung mit dem Werkzeug überhaupt erreichbar sind. Danach folgten Anforderungen und Konzept, dann Schaltplan und Layout beider Platinen bis zur Inbetriebnahme. Die Konfiguration des Sender-ICs, insbesondere die Fremdobjekterkennung und die Abstimmung auf die Spule, wurde in mehreren Ständen am realen mechanischen Aufbau eingestellt und mit erprobten metallischen Fremdobjekten geprüft.
Die EMV-Voruntersuchung lief früh, an der ersten Hardware, damit Änderungen an Spule und Layout noch in die zweite Runde einfließen konnten und nicht erst im Zulassungslabor auffallen. Entstanden sind Konzept, Schaltpläne und Layouts beider Platinen, die abgestimmte Konfiguration des Lade-ICs und die Ergebnisse der Inbetriebnahme und Vorprüfung.