Hoher Wirkungsgrad bei kontaktloser Energieübertragung
Kommunikation als Schlüssel
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Kommunikation durch Nahfeld-Datenübertragung
Zur Kompensation der Abweichungen von Ausgangsspannung und -strom wird eine Nahfeld-Datenübertragung eingesetzt, welche den Energiesender über die jeweilige Abweichung im Empfänger informiert (Bild 3). Über diesen Zweck hinaus bietet die Datenübertragung weitere Einsatzmöglichkeiten und Vorteile. Sender und Empfänger können vielfältige Informationen austauschen und sich untereinander abstimmen. So kann z.B. der Energieempfänger die Ladestation nach erfolgtem Ladevorgang in einen Energiesparmodus versetzen. Auch kann die Datenübertragung einen sicheren Betrieb gewährleisten: Das Batteriemanagement kann bei Fehlerfällen wie Übertemperatur oder einem Defekt einzelner Zellen den Ladevorgang drosseln oder gänzlich abbrechen. Außerdem sind Authentifizierungsmöglichkeiten gegeben, sodass sichergestellt werden kann, dass Ladestation und Energieempfänger zusammenpassen.
Um die Regelung und Überwachung der Ausgangsparameter zu realisieren, wird eine Datenübertragung benötigt, die möglichst geringe Latenzzeiten aufweist und eine sichere Verbindung zwischen Ladestation und Energieempfänger gewährleistet. Um diesen Umständen gerecht zu werden, ermöglicht das eingesetzte Nahfeld-Übertragungssystem lediglich eine Datenverbindung über wenige Zentimeter. Mit diesem System ist sichergestellt, dass eine Verbindung nur zwischen der Ladestation und dem tatsächlich aufgelegten Energieempfänger aufgebaut werden kann. Falsche Kopplungen zu benachbarten Übertragungssystemen oder zu freien Empfangsteilen in der Nähe werden ausgeschlossen. Da dementsprechend keine Sender- und Empfängeradressen mit übermittelt werden müssen, kann das Protokoll zum Austausch von Daten reduziert werden. Somit ist die benötigte Rechenleistung gering, was den Einsatz kostengünstiger Mikrocontroller ermöglicht.
Antennenstruktur und -geometrie als Schlüssel
Um die benötigte Sendeleistung für die Datenübertragung gering zu halten, ist eine möglichst kurze Distanz zwischen den beiden Antennen von Vorteil. Mit der eingesetzten Antennenstruktur ist es möglich, die Übertragung über dünne Folien im Zentrum des Energieübertragungssystems durchzuführen. Die auf Folien gedruckten Antennenstrukturen werden dazu jeweils zwischen Energieübertragungsspule und Gehäusewand platziert. Da diese Folien im Vergleich zu den Gehäusewänden sehr dünn sind, haben sie einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf den Abstand zwischen den Energieübertragungsspulen. Auf diesem Weg wird für die notwendige Antennenplatzierung im Gesamtsystem kaum zusätzlicher Platz benötigt.
Da sowohl die Energie- als auch die Datenübertragung die induktive Kopplung nutzen, würde es ohne weitere Maßnahmen durch die räumliche Überlagerung zu einem Übersprechen der beiden Kanäle kommen. Um dies zu verhindern, wird für die Datenübertragung eine spezielle Antennengeometrie eingesetzt. Mit dem Ziel einer ausreichend guten Entkopplung der beiden Übertragungssysteme wurde ein entsprechendes Verfahren für die Auslegung der Übertragungsspulen entwickelt. Dieses Verfahren macht den Einsatz aufwändiger Filter verzichtbar, was den Vorteil mit sich bringt, eine Datenübertragung auch nachträglich ohne Beeinflussung der Energieübertragung in ein kontaktloses System implementieren zu können. Außerdem wirkt sich der Entfall von Filtersystemen positiv auf den Übertragungswirkungsgrad aus.
Die im System verwendeten Antennen sind mit einer Beschaltung versehen, welche die Modulierung der zu übertragenden Daten übernimmt (Bild 4). Diese Schaltung kann direkt mit einem Mikrocontroller verbunden werden und unterscheidet sich von einer direkten Drahtverbindung nur durch die Latenzzeit (weniger als 5 µs) sowie durch die Potenzialtrennung. Mit diesem Aufbau können Daten mit einer Rate von 1 Mbit/s bidirektional übertragen werden – unabhängig davon, ob die Energieübertragung aktiv ist oder nicht. Diese Datenübertragungsgeschwindigkeit ist zur effektiven Parameterregelung während eines Ladevorgangs mehr als ausreichend und bietet darüber hinaus Reserven für den Austausch weiterer Daten.
Hoher Wirkungsgrad durch Kommunikation
Kontaktlose Energieübertragung und hoher Wirkungsgrad befinden sich keineswegs im Widerspruch. Mit Hilfe einer parallelen Datenübertragung ist die effiziente Energieübertragung auch ohne Kontakte nur eine Frage des richtigen Systems. Ein System wie das geschilderte bietet über die Effizienzsteigerung hinaus vielfältige Vorteile, von denen nur einige genannt wurden. Die eingesetzte Datenübertragung ermöglicht nicht nur eine effiziente kontaktlose Ladung für Geräte höherer Leistungsklassen, sondern verbreitert durch die Kommunikationsmöglichkeiten auch das Anwendungsspektrum dieser Technik.
| M.Sc. Andreas Hagemeyer |
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arbeitet seit 2008 bei Friwo und hat im Rahmen eines dualen Studiums an der FHWT Oldenburg (B.Eng.) und an der Universität Duisburg-Essen (M.Sc.) Elektrotechnik studiert. Im Rahmen seiner Tätigkeit bei Friwo setzte er sich intensiv mit der Auslegung und Optimierung kontaktloser Energiesysteme auseinander. |
Der Autor
- Kommunikation als Schlüssel
- Herausforderung Magnetfeldausbreitung und Streuinduktivität
- Kommunikation durch Nahfeld-Datenübertragung
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