Schwerpunkte

Kontaktlose Energieübertragung

Induktiv kann nicht wireless

26. Januar 2021, 07:00 Uhr   |  Michael Zenkner


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Neues Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung

Eine alternative Möglichkeit, um Energie mittels strahlungsfreier, elektro­magnetischer Energie zu übertragen, basiert auf resonantem Tunneln. Tunnelnde elektromagnetischen Wellen breiten sich nicht durch die „Luft“ aus, um absorbiert oder unkontrolliert abgestrahlt zu werden. Auf Basis der konventionellen Übertragungstechnik wird durch die Erweiterung des Resonanzkreises durch die Konzentration der magnetischen Feldlinien und die Schaffung von zwei verschiedenen Medien über die Kopplung von zwei Ferriten das Funktionsprinzip der evaneszenten resonanten Wellenkopplung mit Tunneleffekt erreicht.

Funktionsprinzip der Wellenkopplung mit Tunneleffekt

Um den Tunneleffekt zu erreichen, müssen die Eigenschaften der Medien passend gestaltet werden: Die Bedingungen in beiden äußeren Medien (Ferrit), die das mittlere Medium (Luft) umfassen (siehe Bild 3), muss so sein, dass die elektromagnetische Charakteristik der einer fortschreitenden Welle genügt. Das mittlere Medium hingegen muss reale exponentielle – steigende und fallende – Wellenbedingungen ermöglichen. So dringt eine Welle vom sendenden Medium in das mittlere Medium ein, „durchdringt“ das mittlere Medium und bildet im Empfangsmedium wiederum eine Welle.

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Bild 3. Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung mit evaneszenter resonanter Wellenkopplung mit Tunneleffekt.

Evaneszente Wellen haben Energie und sie können Energie im Nahfeld übertragen, aber der wesentliche Punkt einer evaneszenten Welle hat nichts mit Energieübertragung zu tun. In einer evaneszenten Welle breitet sich die Welle nicht als wandernde Welle in das zweite Medium aus, sodass keine Fernfeldstrahlung im zweiten Medium oder keine Energieausbreitung über große Entfernungen – im Vergleich zur Wellenlänge – von der Grenze aus erfolgt.

Eine evaneszente Welle fällt auf der anderen Seite der Grenze in ihrer Amplitude exponentiell ab. Dies ist eine Voraussetzung für die Kontinuität von elektrischen und magnetischen Feldern an der Grenze und der Maxwell-Gleichungen. Die Anforderungen schreiben vor, dass die Gleichungen nur exponentiell abnehmende Lösungen haben.

Hauptmerkmale der Übertragung mit evaneszenten Wellen

Fehlt das Empfangsmedium, findet im Sendemedium eine Totalreflexion statt und es erfolgt somit keine Abstrahlung von Energie. Deshalb werden EMV/EMF-Eigenschaften leichter erfüllt als mit herkömmlichen Wireless-Power-Systemen. Das mittlere Medium kann z.B. auch Wasser sein. Die Dämpfung durch metallene Bleche – auch MU-Metall – ist deutlich geringer als bei den herkömmlichen induktiven Übertragungsverfahren, da die Kopplung – wie oben beschrieben – nicht auf Nahfeldmagnetismus basiert.

Wenn der Sender ohne Empfänger betrieben wird, d.h. die Empfangsspule mit Ferritkern sich in genügend großer Entfernung befindet, wird keine Energie abgestrahlt, es findet eine innere totale Reflexion statt. Wenn aber die Ferritkerne von Sender und Empfänger genügend nahe zusammengebracht werden, findet ab einer gewissen Entfernung ein „Koppeln“ statt – was bedeutet, die Feldkopplung zwischen den beiden Medien ist groß genug, um die Luftbarriere zu überbrücken.

Durch den Tunneleffekt wird eine geringere Abnahme der Leistung in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Sender und Empfänger erreicht. In diesem Energieübertragungssystem liegt die Proportionalität zwischen Leistung und Distanz im Bereich von 1/r bis 1/r1,7, bei anderen kontaktlosen Energieübertragungssystemen, mit magnetischer Kopplung ist das Verhältnis 1/r3.

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Bild 4. Das Blockschaltbild des Energieübertragungssystems mit Tunneleffekt ist vergleichbar mit anderen kontaktlosen Energieübertragungssystemen.

Das Blockschaltbild des kontaktlosen Energieübertagungssystems mit Tunneleffekt ist in Bild 4 dargestellt. Ein Signalgenerator erzeugt ein hochfrequentes Signal, das über ein Regel- und Steuersystem eine HF-Endstufe speist. Das verstärkte Signal wird der Senderspule zugeführt.

Auf der Empfangsseite wird die vom Sender übertragene Energie über die Empfängerspule, der Impedanzanpassung, einem Gleichrichter mit anschließender Spannungsregelung zugeführt. An den Ausgang des Spannungsreglers kann ein elektrischer Verbraucher angeschlossen werden. Innerhalb der Leistungsklasse kann der Empfänger jede beliebige Spannungs-/Stromkonstellation zur Verfügung stellen.

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Bild 5. Mit steigender Distanz zwischen Sender- und Empfängerspulen sinkt die maximal übertragbare Leistung. Beim von WPT-Systems entwickelten Energieübertragungssystem mit Tunneleffekt (links) lässt sich erst ab einem Mindestabstand Leistung übertragen. Mit weiter steigender Distanz nimmt die übertragbare Leistung zunächst nur wenig ab. Ein induktiv gekoppeltes Energieübertragungssystem (rechts) dagegen, kann die maximale Leistung nur über eine sehr kleine Distanz übertragen. Wird der Abstand zwischen den Spulen größer, sinkt die maximal übertragbare Leistung rapide.

Die besonderen Eigenschaften der Energieübertragung mit Tunneleffekt sind:

  • Geringe Leistungsabnahme in Abhängigkeit der Distanz zwischen Sender und Empfänger. Bild 5 zeigt den Graphen der Leistungsabnahme des von WPT-Systems entwickelten Verfahrens (links) im Vergleich zu einem typischen induktiv gekoppelten Energieübertragungssystem.
  • Hohe Toleranz gegen Versatz zwischen Sender- und Empfängerspulen. In Bild 6 sind der vertikale, der horizontale und der radiale Versatz zwischen Sender- und Empfängerspulen mit Ferritkern mit der damit verbundenen Leistungsabnahme gezeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass auch bei hohem Versatz nur eine geringe Leistungsminderung stattfindet.
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Bild 6. Das mit dem Tunneleffekt arbeitende kontaktlose Energieübertragungssystem toleriert in einem weiten Bereich einen Versatz zwischen Sender- und Empfängerspulen.

  • Das Energieübertragungssystem bietet die Möglichkeit, mit einem Sender mehrere Empfänger parallel zu betreiben (Bild 7). Dabei ist es so, dass jeder Empfänger dem Sender die Leistung entnehmen kann, die für den Betrieb seines Verbrauchers erforderlich ist, solange die Summe der Leistungsentnahme aller Empfänger die maximal mögliche Senderleistung nicht überschreitet.
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Bild 7. Ein kontaktloses Energieübertragungssystem mit Tunneleffekt kann mehrere Empfänger versorgen. Sie Summe der von den Empfängern aufgenom­menen Leistung darf die maximale Senderleistung nicht übersteigen. Das Foto rechts zeigt einen Testaufbau mit einem 60-W-Energieübertragungssystem mit zwei Empfängern und LED-Strahlern als Last.

  • Fremdkörper jeglicher Art, auch metallische Gegenstände, können in den Übertragungskanal eingeführt werden. Metallische Objekte erhitzen sich dabei nicht. Sie nehmen also keine Energie auf, da sie nicht die Bedingung einer fortschreitenden Welle erfüllen. In Bild 8 ist der Aufbau eines kontaktlosen Energieübertragungssystems mit Tunneleffekt gezeigt, bei dem die Temperatur einer in den Energieübertragungskanal eingefügten Metallplatte gemessen wurde. Die Metallplatte zeigt keine Temperaturerhöhung.
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Bild 8. Ein metallisches Objekt, das in den Übertragungskanal eines Energieübertragungssystem mit Tunneleffekt zwischen Sender und Empfänger eingefügt wird, nimmt keine Energie auf und erwärmt sich auch nicht. Im Betrieb zeigt die Messung der Temperatur der Metallplatte zwischen Sender (rechts) und Empfänger (links) keinen Temperaturanstieg.

Applikationen der neuen kontaktlosen Übertragung

Die kontaktlose Übertragung von Energie hat zahlreiche Vorteile. Zum Beispiel macht sie fehleranfällige Steckkontakte überflüssig. Geräte können in Gehäuse eingebaut werden, die gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt sind. Zudem müssen sich die Anwender nicht mehr die Mühe machen, Kabel einzustecken. Ausgerissene Kabel und Stecker gehören der Vergangenheit an.

Die meisten Anwendungen der kontaktlosen Energieübertragung liegen gegenwärtig im Bereich des Ladens von Akkus in tragbaren Geräten kleiner Leistung. Es gibt einige wenige etablierte Standards in diesem Bereich, die eine Vereinheitlichung anstreben, die jedoch die Flexibilität der Systeme eher einschränkt. Das Vorhandensein eines Qi-Logos bedeutet beispielsweise, dass das Gerät durch das Wireless Power Consortium registriert und zertifiziert ist. Seit 2015 kann nach Qi-Standard eine Leistung bis zu 15 W übertragen werden. Es gibt jedoch viele Anwendungen, für die kein Standard notwendig ist und die eine deutlich höhere Leistung als 15 W erfordern. Hier kann ein Verfahren mit individuell optimierter Energieübertragung eingesetzt werden.

Mit dem vorgestellten kontaktlosen Energieübertragungsverfahren mit Tunneleffekt von WPT-Systems ergeben sich hinsichtlich der Anwendungsgebiete zahlreiche neue Möglichkeiten:

  • Versorgung von Produkten für me­­dizinische Langzeituntersuchungen und batteriegespeisten Implantaten.

  • Sicherheitstechnische Produkte, die durch Mauern und andere Barrieren energiegespeist werden.

  • Regelungen und Steuerungen in der Schwerindustrie, die bisher mit beweglichem Kabel versorgt werden.

  • Sensorik, Versorgung von autarken und/oder drehenden Sensorsystemen, Kameras, Motoren.

  • Bergbau oder explosionsgefährde­te Anwendungen, durch vollständig ge­-kapseltes Energieversorgungssystem.

  • Bei Transport und Verkehr, Aufladen der Akkus von Elektrofahrzeugen ohne Kabel.

Das Energieübertragungsverfahren mit Tunneleffekt erlaubt große Freiheitsgrade in der Kombination zwischen Sendern und Empfängern. Bild 9 zeigt einen Testaufbau mit einem Sende­modul (rechts) mit einer maximalen Ausgangsleistung von 150 W und mehreren Empfängern.

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Bild 9. Ein Sendemodul (rechts) von WPT-Systems mit einer maximalen Ausgangsleistung von 150 W versorgt in diesem Aufbau drei Empfänger mit elektrischer Energie.

Mehr Freiheitsgrade und mehr Sicherheit

Eine Wireless Power Transmission sollte die Übertragung über eine Distanz im Zentimeterbereich und nicht nur wenigen Millimetern ermöglichen. In der Praxis stoßen die bisher bekannten Verfahren mit induktiven oder resonanten induktiven Verfahren recht schnell an ihre technischen und mechanischen Grenzen. Ein Entwickler, der ein induktiv gekoppeltes Energieübertragungsverfahren einplant, muss sehr hohen Aufwand treiben, um unerwünschte Nebeneffekte zu beseitigen bzw. zu vermeiden – z.B. um Fremdobjekte in der Nähe des Übertragungskanals zu detektieren (Foreign Object Detection, FOD).

Das hier vorgestellte Verfahren zur kontaktlosen Übertragung von Energie mit Tunneleffekt bietet dem Entwickler mehr Freiheitsgrade, wie eine größere Distanz bis zu 30 cm und einen hohen Versatz zwischen Empfänger- und Senderspule. Das Übertragungsverfahren ist ohne großen zusätzlichen Aufwand sicher hinsichtlich seiner Abstrahlungseigenschaften und tolerant gegen äußere Einflüsse wie Fremdkörper. Eine gleichzeitige Versorgung von mehreren Empfängern ist pro­blemlos möglich.

Energiesender und -empfänger mit Tunneleffekt

Wireless-Power-Sendemodul von WPT-Systems mit 150 W-
Wireless-Power-Empfänger mit 250 W von WPT-Systems.
Wireless-Power-Empfänger mit 100 W von WPT-Systems.

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Die wichtigsten Eigenschaften der Energieübertragung mit Tunneleffekt sind:

  • Wirkungsgrad größer 90 %.
  • Leistungsdichte in Bezug auf die Übertragungsfläche 45 W/cm2.
  • EMV und EMF-Anforderungen sind leicht zu erfüllen.
  • Keine Datenkommunikation für Regelung und Schutzfunktionen zwischen Sender und Empfänger nötig.
  • Betrieb mit mehreren Empfängern und einem Sender möglich.
  • Begrenzte Beeinflussung durch Gegenstände im Energiefluss.
  • Große Distanz zwischen Sender- und Empfängerspulen und Freiheitsgrade in der Ausrichtung.

Das von WPT-Systems entwickelte Konzept zur kontaktlosen Energieübertragung kombiniert ein international patentiertes Übertragungsverfahren mit modernster Elektronik auf Basis von Wide-Band-Gap-Materialien. Somit stehen Produkte und Bausteine zur Verfügung, die hinsichtlich Integrationsdichte und Übertragungseigenschaften kaum Wünsche offenlassen.

Der Autor

Michael Zenkner, WPT Systems
© WPT Systems

Michael Zenkner von WPT-Systems

Michael Zenkner

ist Leiter des Unternehmens WPT-Systems und gibt die technische Entwicklung und Geschäftsstrategie vor. Die notwendige Erfahrung im Produktmanagement konnte er sich durch die aktive Mitwirkung an Entwicklungen von Techniken und Produkten in unterschiedlichen Unternehmen aneignen. Zenkner studiert zusätzlich Internationales Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Augsburg.

m.zenkner@wpt-systems.de

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1. Induktiv kann nicht wireless
2. Neues Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung
3. Kommentar: Wie wireless ist Wireless Power?

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