Hoher Wirkungsgrad bei kontaktloser Energieübertragung Kommunikation als Schlüssel

Der Schlüssel für einen hohen Wirkungsgrad bei kontaktloser Energieübertragung: Kommunikation.
Der Schlüssel für einen hohen Wirkungsgrad bei kontaktloser Energieübertragung: Kommunikation.

Sei es bei mobilen Endgeräten wie Smartphones oder bei industriellen Anwendungen mit Bedarf an staub-, wasser- oder gasdichten Ladevorgängen: Die kontaktlose Energieübertragung befindet sich auf dem Vormarsch. Doch wie lässt sich ein kabelloser Ladevorgang effizient gestalten? Der Schlüssel heißt Kommunikation.

Von Tag zu Tag finden sich mehr kabellose Ladelösungen am Markt. Bei diesen wird anstelle des üblichen kabelgebundenen Netzteils eine Ladestation eingesetzt, bei welcher das Endgerät lediglich aufgelegt wird (Bild 1). Die Übertragung der benötigten Energie zum Laden des Akkus erfolgt über eine elektromagnetische Kopplung. Für den Anwender ist dies in erster Linie einmal sehr bequem in der Handhabung, weshalb sich diese Technik derzeit vor allem bei mobilen Geräten wie Smartphones oder Tablets zunehmender Beliebtheit erfreut. Aber diese Technik birgt noch einen weiteren immensen Vorteil: Mittels der elektromagnetischen Kopplung kann die Energieübertragung über kurze Strecken auch durch elektrisch isolierende Materialien hindurch erfolgen. Dies ermöglicht die Entwicklung von Lade- und Endgeräten mit vollständig geschlossenen Gehäusen, was das Eindringen von Staub, Gas oder Wasser verhindert. Dieser Aspekt macht die Anwendung der kabellosen Ladetechnik auch für Geräte in rauen Umgebungsbedingungen höchst interessant, z.B. bei Elektrowerkzeugen, E-Bikes oder Robotern, die das Saugen, Wischen oder Rasenmähen übernehmen. Die Alterungsprozesse der elektrischen Kontakte werden bei derartigen Geräten durch Korrosion und Verschmutzung beschleunigt, die Produktlebenszeiten lassen sich daher mit der kabellosen Technik deutlich verlängern. Auch in der Industrie können die Vorteile der kontaktlosen Energieübertragung hervorragend genutzt werden; beispielsweise liefert diese Technik die Antwort auf die Problemstellung der sicheren Aufladung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen.

Das Problem: die Energiebilanz

Allen Vorteilen dieser Übertragungstechnik steht jedoch eine schlechtere Energiebilanz gegenüber. Auf der Übertragungsstrecke zwischen Ladestation und Endgerät geht unweigerlich Energie verloren. Im Bereich der Smartphones und Tablets ist die Energieaufnahme pro Gerät verhältnismäßig gering, sodass die Energiemehraufnahme durch kontaktloses Laden auf der Stromrechnung kaum auffällt. Mit steigendem Energiebedarf der Anwendung steigt jedoch auch die auf der Übertragungsstrecke verlorene Energie. Um hier die Vorteile der kontaktlosen Energieübertragung nutzen zu können, ohne dabei große Einbußen bei der Effizienz in Kauf nehmen zu müssen, ist ein entsprechendes technisches Konzept nötig. Friwo nutzt ein Verbundkonzept aus Energie- und Datenübertragung zwischen Ladestation und Endgerät, welches im weiteren Verlauf dieses Artikels näher erläutert wird. Außerdem werden die vielfältigen Möglichkeiten eines solchen Systems geschildert. Zunächst erfolgt aber eine grundsätzliche Beschreibung der kontaktlosen Energieübertragung, da sich hieraus auch die Notwendigkeit der parallelen Datenübertragung ergibt.

Technische Grundlagen

Die gängigste Form, Energie über kurze Strecken kontaktlos zu übertragen, ist die induktive Kopplung. Hierbei wird auf der Sender- und Empfängerseite jeweils eine Spule implementiert. Die Spule auf der Senderseite wird mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, sodass sich um die Spule ein alternierendes magnetisches Feld aufbaut. Befindet sich die Spule auf der Empfängerseite in der Nähe der Senderspule, sorgt die Änderung des Magnetfeldes dafür, dass in der Empfängerspule ein Strom induziert wird. Dadurch kann eine elektrische Last auf der Empfängerseite mit Energie versorgt werden. Die Übertragungsparameter eines solchen Systems sind zum einen von der Bauform der Spulen abhängig, zum anderen von den Positionen von Sender- und Empfängerspule. Da sich die Position der Spulen zueinander nicht nur von Ladevorgang zu Ladevorgang, sondern auch während eines Ladevorgangs jederzeit ändern kann, ist eine Überwachung der Ausgangsparameter und eine entsprechende Kompensation der Abweichungen unumgänglich. Bei der Übertragung von kleinen Leistungen kann dies über einen Linearregler realisiert werden, welcher die überschüssige Leistung auf Kosten der Energieeffizienz in Wärme umsetzt. Bei größeren Leistungen ist hierfür ein Schaltregler zu empfehlen, da er wesentlich weniger Verluste verursacht. Beide Varianten müssen jedoch auf der Empfängerseite, also in der mobilen Anwendung, installiert werden. Dieser erhöhte Platzbedarf der Ladeelektronik führt unweigerlich entweder zu einer Vergrößerung der Abmessungen der Anwendung oder zu einer Einsparung des entsprechenden Volumens an anderer Stelle – wodurch eventuell sogar die Kapazität des Akkus reduziert wird. In Zeiten höchst kompakter mobiler Geräte mit maximalen Akkulaufzeiten werden beide Alternativen durch den Anwender kaum hingenommen.

Das eingesetzte Konzept umgeht diese Problematik, in dem die Abweichungskompensation der Ausgangspegel innerhalb der Ladestation vorgenommen wird. Die Kompensation findet in dem Teil der Ladestation statt, welcher die anliegende Netzspannung in eine für das induktiv gekoppelte Übertragungssystem angepasste Rechteckspannung umwandelt. Um die Vorteile dieser Vorgehensweise zu erläutern, soll zuerst ein Überblick über die Komponenten der Energieübertragung gegeben werden.

Das Herzstück der Energieübertragung bildet das Spulensystem, welches den Energietransport von der Ladestation zum Energieempfänger ermöglicht. Ein solches Spulensystem kann vereinfacht auch als Transformator angesehen werden: Die eine Hälfte des Transformators, bestehend aus der Primärwicklung sowie einer Transformatorkernhälfte aus ferromagnetischem Material, befindet sich in der Ladestation; die zweite Hälfte, also die Sekundärwicklung und eine weitere Transformatorkernhälfte, befindet sich im Energieempfänger. Mit diesem Aufbau kann die Energie über kurze Strecken auch durch die Luft oder durch nicht leitfähige Materialien übertragen werden, was die Energieübertragung durch geschlossene Gehäusewände ermöglicht.