Schwerpunkte

Kontaktlose Energieübertragung

Induktiv kann nicht wireless

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

Induktiv kann nicht wireless
© Shutterstock

Die derzeit populären Techniken für Wireless Power haben viele Limitierungen. So erlauben sie eher minimale Abstände zwischen Sender und Empfänger, die außerdem genau aufeinander ausgerichtet sein müssen. Ein neues Verfahren kennt diese und weitere Nachteile der Wireless-Power-Techniken nicht.

Wireless Power Transfer (WPT) ist die Übertragung von elektrischer Energie aus einer Energiequelle zu einer elek­trischen Last über eine gewisse Distanz ohne die Verwendung von Kabeln und Kontakten. Die kontaktlose Energieübertragung ist in den Fällen vorteilhaft, in denen eine Verwendung von Verbindungskabel unbequem, gefährlich oder unmöglich ist. Bei der kontaktlosen Datenübertragung, z.B. bei NFC, können Distanzen von ca. 10 cm überbrückt werden.

Auch bei der kontaktlosen Energieübertragung sollte die mögliche Distanz zwischen Sender und Empfänger groß genug sein, um gewisse Freiheitsgrade bei der Appli­kation zu erlangen. Denn für eine sinnvolle Applikation sind Übertragungs­distanzen notwendig, die sich nicht wie bei der induktiven Kopplung im mm-Bereich bewegen, sondern mindestens 4–6 cm bei hohem Wirkungsgrad zulassen. Parameter, wie Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Distanz, flexible Positionierung von Sender und Empfänger, Störanfälligkeit der Übertragung durch Fremdkörper, Störabstrahlung der Felder, biologische Auswirkung der übertragenen Energie und letztendlich Größe und Masse der Komponenten für Sender und Empfänger sind wesentliche Parameter des WPT.

Vergleich verschiedener klassischer WPT-Verfahren

Die häufigste Form der kontaktlosen Energieübertragung ist die direkte ma­­gnetische Induktion, die häufig durch die „resonante“ magnetische Induktion erweitert wird. Andere, weniger verbreitete Methoden sind die Übertragung von Energie mittels elektromagnetischer Wellen, wie Mikrowellen oder Licht, bei der die Energie in Form eines Laserstrahls übertragen wird.

Die letzteren beiden Verfahren ermöglichen die Übertragung von Energie über weitere Strecken, sind jedoch in der Energie­umsetzung, in der Systemtechnik und auch hinsichtlich sicherheitstechnischer Belange als kritisch zu betrachten. Ihre Realisierung ist in der Praxis relativ schwer und nur in Ausnahmefällen in bestimmten Applikationen sinnvoll. Im Folgenden werden deshalb nur die Übertragungsverfahren mit induktiver Kopplung und resonanter (induktiver) Kopplung betrachtet.

WPT auf Basis induktiver Kopplung

Dieses Verfahren beruht auf der Energieübertragung zwischen zwei Spulen durch magnetische Felder. Bei dieser Technik sollte jedoch der Abstand zwischen den zwei Spulen sehr gering sein; typische Werte sind hier im mm-Bereich. Die beste Demonstration dafür, wie die gegenseitige Induktion funk­tioniert, ist der Transformator, bei dem es keine galvanische Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspulen gibt. Die Energieübertragung entsteht aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen (Bild 1).

Wireless Stromversorgung Ladegräte
© WPT-Systems

Bild 1. Energieübertragung per elektromagnetischer Kopplung zwischen zwei galvanisch getrennten Spulen (Prinzip des Trafos).

Induktiv gekoppelte Spulen können im verlustlosen Fall bei sinusförmiger Anregung durch die Transformator­gleichungen beschrieben werden. Aus den Gleichungen ergibt sich, dass einer der wichtigsten Parameter bei diesem System der Kopplungsfaktor ist. Dieser Kopplungsfaktor ist abhängig vom Abstand und von der Orientierung der Sende- und der Empfangsspule. Ist der Kopplungsfaktor groß (max. 1), dann ist auch die Energieübertragung hoch.

Wegen der räumlichen Trennung der Spulen in WPT-Systemen ist der Betrag des Kopplungsfaktors in der Praxis jedoch deutlich kleiner als 1, typ. klei­ner 0,1. Unter diesen Bedingungen muss zur Energieübertragung einer Wirkleistung eine vielfach höhere Scheinleistung in das System eingespeist werden. Auch wenn die Scheinleistungsaufnahme im Allgemeinen durch die Wahl des Lastwiderstandes entsprechend verringert werden kann, steigt sie doch bei kleinem Kopplungsfaktor stark an.

Dies führt dazu, dass zur Übertragung einer definierten Ausgangsleistung die speisende Quelle neben einer Wirkleistung auch eine zusätzliche, mit sinkendem Kopplungsfaktor steigende, Blindleistung liefern muss. Diese verursacht Verluste an dem Innenwiderstand der Quelle, hat aber auch zur Folge, dass die Quelle größer dimensioniert werden muss. Außerdem wird bei einem System zur kontaktlosen Energieübertragung in der Praxis der Lastwiderstand weder reell, noch konstant sein. Mit der Eingangsschein-leistung steigt der Blindanteil des Eingangsstroms stark an.

Dies führt bei einer verlustbehafteten Übertragung dazu, dass die Spannungen an den unvermeidlichen Verlustwiderständen ansteigen. Demnach wird es mit sinkendem Kopplungsfaktor immer schwieriger eine Leistung mit ausreichend hohem Wirkungsgrad zu übertragen. Diese Einschränkungen haben zur Folge, dass die Energieübertragung mit induktiv gekoppelten Spulen ohne zusätzliche Maßnahmen nur bei großen reaktiven Kopplungsfaktoren sinnvoll ist. Um diese Schwierigkeiten zu reduzieren, wird durch eine zusätz­liche Beschaltung am Eingang und am Ausgang des Übertragungssystems mit Kondensatoren versucht, Resonanz zu erreichen, um die störenden Induktivitäten zu kompensieren.

Verfahren mit resonanter (induktiver) Kopplung

Im induktiv gekoppelten kontaktlosen Energieübertragungssystem ohne Resonanz wurde deutlich, dass bei kleinen Kopplungsfaktoren ein Großteil der eingespeisten Energie am Ausgang nicht zur Verfügung steht. Die Energie zwischen einer Sender- und Empfängerspule wird induktiv nur im Nahbereich sinnvoll übertragen. Induktiv gekoppelte Systeme erfordern, dass die Spulen nahe beieinander und zueinander ausgerichtet sind; normalerweise stehen Sender und Empfänger nahezu in direktem Kontakt.

Durch Resonanz (Bild 2) wird erreicht, dass auch bei kleinen Kopplungsfaktoren keine Blindleistung aus der Quelle entnommen wird. So wird auch eine Energieübertragung mit kleinen Kopplungsfaktoren, d.h. auch über größere Distanzen möglich. In Resonanz betrieben ist keine so sorgfältige Ausrichtung der Sender- und Empfängerspulen erforderlich und eine Distanz von bis zu 40 mm ist möglich.

Wireless Stromversorgung Ladegräte
© WPT-Systems

Bild 2. Erfolgt die Energieübertragung mit elektromagnetischer Kopplung bei der Resonanzfrequenz (Kopplung zweier Schwingkreise), lässt sich die Scheinleistungsaufnahme auf der Senderseite deutlich reduzieren.

In der Praxis sind auch resonant betriebene Energieübertragungssysteme durch parasitäre Impedanzen verlustbehaftet und eine zusätzliche Regelung der Ausgangsspannung ist unumgänglich. Deshalb sind die handelsüblichen kontaktlosen Energieübertragungssysteme mit Regelschleifen versehen, die durch eine zusätzliche kontaktlose Datenübertragung vom Empfänger zum Sender die Sendefrequenz und ggf. Resonanzkreisparameter nachregeln.

Die Auswirkungen von Objekten, wie Metallgegenständen und des menschlichen Körpers sind relativ hoch. Dieser Einfluss ist bei resonant arbeitenden Energieübertragungssystemen erst ab einem Abstand zwischen der Empfängerspule und dem Objekt von typ. 0,5 m vernachlässigbar, wobei die Übertragungsfrequenz und die Spulengröße hier entscheidende Parameter sind. So gibt es bei dieser Methode potenzielle Probleme, wenn sich in der Nähe des Senders ein metallisches Objekt befindet, da die Schwingkreisverstimmung einen erheblichen Leistungsabfall in der Übertragung bewirkt.

Ein weiterer Nachteil ist die starke Erwärmung von metallischen Gegenständen, die sich im Energiekanal befinden. Diese Eigenschaft stellt ein nicht unerheb­liches Gefahrenpotenzial dar. Die elektromagnetischen Felder können bei der induktiven Energieübertragung ziemlich stark sein und die menschliche Sicherheit muss berücksichtigt werden. Die Exposition gegenüber elek­tromagnetischer Strahlung kann Anlass zur Sorge geben und es besteht auch die Möglichkeit, dass die vom Sender erzeugten Felder z.B. tragbare oder implantierte medizinische Geräte stören könnten. Weiterhin wird es mit sinkendem Kopplungsfaktor, den zu berücksichtigenden Verlusten und Toleranzen der Komponenten zunehmend schwieriger, Energie mit vertretbarem Aufwand und Wirkungsgrad zu übertragen.

Seite 1 von 3

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

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

WEKA FACHMEDIEN GmbH