Wireless Power und Wireless Charging Startbereit

Prof. Markus Rehm von der Hochschule Furtwangen.
Prof. Markus Rehm von der Hochschule Furtwangen.

Der Erfolg des Qi-Standards zum kontaktlosen Aufladen von Smartphone-Akkus steckt an. Andere Branchen entdecken die Technik und Hersteller von Komponenten erweitern ihr Produktsortiment. Genau der richtige Moment, findet Prof. Markus Rehm, um sich mit Wireless Power genauer zu beschäftigen.

Der Durchbruch für kontaktlose Energieübertragung ist in vollem Gange, das zeigen aktuelle Projekte und das rege Interesse auf der Wireless-Power-Session der embedded world Conference im März 2019. Erwartungen und Chancen auf Produktinnovationen haben die Akzeptanz, Wireless Power Transfer (WPT) einzusetzen, deutlich erhöht.

Wobei der Begriff »wireless«– oftmals übersetzt mit »drahtlos« – etwas irreführend ist, weil es impliziert, dass es keine Kabel gibt. Der Sender wird aber über ein Stromkabel versorgt und der Empfänger liefert seine Energie oft über ein Kabel zum Verbraucher. Es gibt einige Anwendungen, da ist der Sender so eingebaut, dass keine Kabel sichtbar sind und der Empfänger sitzt im Verbraucher. Trotzdem würde ich lieber von kontaktloser Energie- übertragung sprechen, weil diese Eigenschaft immer gegeben ist und den wesentlichen Vorteil gegenüber Steckkontakten betont.

Viele Marktführer und Hidden Champions wollen ihre Position behaupten und versuchen, ihre Produkte noch anwenderfreundlicher und ausfallsicherer zu machen oder die Wartungsarbeiten zu erleichtern, beispielsweise mit WPT. Wesentliche und praktikable Verbesserungen sind gefragt ebenso wie Innovationen, um die Nachfrage weiterhin hoch zu halten. Kabel und Kontakte sind oft lästig, manchmal sogar verhasst oder ihr Einsatz einfach nicht möglich.

Gibt es einen Kundennutzen?

Im Gegensatz zur künstlichen Intelligenz, wo viele Menschen nicht genau wissen, was sie davon halten sollen, liegen bei der kontaktlosen Energieübertragung die Vor- und Nachteile für viele Anwendungen klar auf der Hand. Viele Neuentwicklungen sind denkbar und ermöglichen erweiterte nützliche Funktionen.

Hier zwei Beispiele: Um elektrische Energie auf rotierenden Teilen zur Verfügung zu haben, werden wo möglich standardmäßig Schleifringe eingesetzt. Begrenzte Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie mechanische Toleranzenintoleranz – z.B. bei einem großen Wellenhub – sind die wesentlichen Nachteile. Energy Harvesting wird auch genutzt, aber das geht nur bei sehr kleiner Leistung. Kontaktlose Energieübertragung mit bis zu einigen Zentimetern Abstand ist die Lösung für viele solche Anwendungsfälle.

Auch Steckkontakte, man glaubt es kaum, sind nicht so zuverlässig, wie es Anwender gerne hätten. Ungünstige Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, feuchte oder salzhaltige Luft machen die Kontaktflächen schnell hochohmig und führen zum Ausfall des Systems. Vibrationen und ständige Bewegungen verursachen Kabelbrüche. Die kontaktlose Energieübertragung, mit völlig dichten und robusten Oberflächen, sorgt auch hier für eine zuverlässige Stromversorgung.

Was sind die Nachteile?

Wireless Power gibt es nicht einfach zu kaufen, um es einzubauen. Kabelgebundene Netzteile dagegen gibt es von der Stange, und auch dort führt oft kein Weg vorbei an einer kundenspezifischen Ausführung. Kontaktlose Stromversorgungen haben sogar noch eine Dimension mehr! Deswegen tun sich auch die Arbeitskreise in der Standardisierung schwer. Wireless-Power-Katalogware ist überschaubar und wird es wohl auch bleiben. Die Chance, ein passendes kabelloses Netzteil per Mausklick zu erwerben, wird auch in Zukunft sehr gering sein. Ein Versuch ist es trotzdem wert, z. B. mit dem Qi-Standard. Für die meisten Entwickler gilt: Der Weg bis zum fertigen Produkt mit Wireless Power wird lang und schwer sein!

Die Einbausituation ist nie die gleiche. Die Kombination aus Eingangsspannung und Ausgangsleistung ergibt viele Möglichkeiten – und einzuhaltende Vorschriften bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit und Sicherheit hängen vom Einsatzgebiet ab.

Wie viel Abstand ist zwischen Sende- und Empfangsspule nötig? Jeder Millimeter mehr erhöht die Streuinduktivität und reduziert die Kopplung. Das wirkt sich negativ auf Leistungsverluste und Störstrahlung aus. Ein größerer Abstand erzwingt höhere Güten im Schwingkreis. Das bedeutet mehr Blindleistung, die mit der Resonanzfrequenz im Resonanzkreis hin und her geschoben wird und die Verluste weiter erhöht. Ein größerer Spulendurchmesser wiederum erhöht die Kopplung, aber auch den nötigen Bauraum. Diese Auflistung zeigt: Die Kombinationsmöglichkeiten sind unendlich. Und: Wenn Menschen oder Tiere zwischen Energiesender und -empfänger gelangen können, dann steigt der Sicherheitsaufwand extrem.

Der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung mit Kabel, Stecker und Buchse ist unschlagbar hoch, an die 100 Prozent. Steckverbindungen und Kabel erreichen bei unkritischen Bedingungen sehr hohe Lebensdauern, da kommen elektronische Bauteile nicht ran. Deswegen werden selbstverständlich weiterhin Stromkabel verwendet – wo immer möglich.