Wireless Power Transfer

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Beim Wireless Power Transfer (WPT) wird elektrische Energie von einem Objekt auf ein anderes berührungslos übertragen, um dieses damit zu betreiben bzw. zu versorgen. Der Unterschied zur herkömmlichen Energieübertragung ist der, dass die beim WPT benötigte elektrische Energie nicht entlang elektrischer Leitungen und mittels elektrischer Kontakte zugeführt wird, sondern durch elektromagnetische Felder.

Geschichte Wireless Power Transfer

In den vergangenen Jahren hat sich das Nutzungsverhalten der Konsumenten in Bezug auf mobile Geräte, aber auch insgesamt alle elektrisch angetriebenen Verbraucher in der Industrie- oder Medizintechnik mit und ohne Batterie, sehr stark verändert. Immer längere Nutzungszeiten und ein höherer Strombedarf der Endgeräte erhöhen entweder die Nachfrage an kompakten und hochkapazitiven Batterien oder es bedarf der Möglichkeit die Geräte kabellos über den Tag verteilt wieder aufzuladen. Voraussetzung hierfür ist, dass das Gerät die passende kabellose Ladetechnik integriert hat. Erfolgsfaktoren für das kabellose Laden sind einfache und bequeme Bedienung für den Nutzer sowie eine Ladeperformance (Ladezeit, Effizienz,...), die vergleichbar mit der herkömmlichen drahtgebundenen Technologie ist.

Anwendungsbeispiele

Hat sich die Technik, getrieben von den Consumer Produkten (5 - 20W), etabliert, so werden viele verschiedene Anwendungen in weiten Bereichen der Industrie folgen. Unser Wunsch ist es im Bereich der mobilen Kommunikationstechnik eine Möglichkeit zu schaffen, verschiedene Verbraucher (Smartphones, Tablets, Digitalkameras, Fitnesstracker, Smartwatches, Babyphone/Walkie-Talkie etc.) mit ein und demselben Ladegerät aufzuladen. Da dies heute an den unterschiedlichen Steckverbindungen scheitert, ist die kontaktlose Übertragung der Energie ein Komfort- und Mobilitätsgewinn für unsere Kunden und ein Beitrag zur Schonung der Umwelt durch nachhaltige Elektronikentwicklung.

Smartwatch

In unseren Badezimmern wird heute die Energie schon kontaktlos übertragen um Akkus zu laden, wie z.B. bei elektrischen Zahnbürsten, Bartschneider oder Rasierapparaten. Neue Applikationen wie z.B. für den Fön, das Glätteisen und den Lockenstab wären möglich und das Vermeiden störender Kabel würde folglich die Sicherheit um ein Vielfaches erhöhen.

In unserer Küche sind verschiedene Verbraucher (Leistungsklassen von 200W – 2.4kW) über kontaktlose Energieübertragung nutzbar. Anwendungen wie Reiskocher, Wasserkocher, Brotbackautomat, Mixer, Eierkocher oder auch Pfannen können direkt betrieben werden ohne eine wieder aufladbare Batterie als Energieversorger zu besitzen.

Die kontaktlose Energieübertragung wird in der Medizin eingesetzt für die Versorgung von:

  • Implantaten
  • drahtlosen Endoskopen
    EKG-Gerät
  • im Bereich des Biomonitorings (Herzfrequenz, EKG, Temperatur, etc.)
  • Blutzusammensetzung (Sauerstoffsättigung, Blutglucose, PH-Wert, etc.)
  • Stimulation (Schrittmacher, Muskelstimulation, Neuro-Stimulatoren)
  • Überwachung und Regelung (Blasendruck, implantierte Insulinpumpen)
  • Medizinische Apparate

Die Ladekontakte werden durch sehr aggressive Desinfektionsmittel angegriffen. Durch vollständiges Verkapseln sind diese Apparate sterilisierbar und stellen durch den großen Einsatz der kontaktlosen Energieübertragung keine Herausforderungen mehr an die Gehäusetechnik. Offene und außenliegende Kontakte sind nicht mehr nötig.

Im Industriebereich bietet kabellose Energieversorgung bei verschmutzten, staubigen oder explosionsgefährdeten Umgebungen die Lösung für viele Probleme, die heute in Geräten mit Ladekontakten auftreten. Die Zuverlässigkeit und Robustheit von Industrieanwendungen wird erhöht, die Lebensdauer verlängert und der Wartungsaufwand reduziert. Kontaktlose Energieübertragung kann bei fahrerlosen Transportsystemen, Hängebahnen, Krananlagen, Fördersystemen oder zur Versorgung von Sensoren und Aktoren in Druckbehältern und Tanks eingesetzt werden.

Im Bergbau, in Raffinerien und chemischen Produktionen können Helmlampen oder Gaswarnanlagen mit integrierter kabelloser Ladetechnik Kontaktfunken vermeiden.

Die kontaktlose Energieübertragung funktioniert unter Wasser und kann bei Tauchrobotern, Tauchlampen oder Unterwasserkameras eingesetzt werden. Für die Dichtigkeit in großer Tiefe ist es wichtig, dass die Gehäuse komplett verkapselt werden können.

Übertragungswege für kontaktlose Energieübertragung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten kontaktlos Energie zu übertragen. Die kontaktlose Energieübertragung kann in verschiedene Technologien und Klassen eingeteilt werden, welche von unterschiedlichen Faktoren wie beispielsweise Abstand der Senderquelle und Änderungen des elektromagnetischen Feldes abhängen.

Wireless Power Transfer.png

Nahfeld-Technologie

Die kontaktlose Nahfeld-Energieübertragung kann die Energie über ein oder mehrere Außendurchmesser der Übertragungsspulengröße oder weniger als eine Wellenlänge (λ) übertragen. Nahfeldenergie ist keine strahlende Übertragung aber es können Strahlungsverluste auftreten. Normalerweise treten nur ohmsche Verluste auf.

Die Nahfeld-Technologie wird in weitere Klassen unterteilt:

  • Elektromagnetische Induktion
  • Elektromagnetische Resonanz
  • Elektrostatische Induktion

Elektromagnetische Induktion

Kontaktlose Energieübertagung mit elektromagnetischer Induktion im Nahfeld wird bei einem Abstand von 1/6 der Wellenlänge der Übertragungsfrequenz übertragen. Bei einem stromdurchflossen geraden Leiter entstehen die magnetische Feldstärke H und das statische Magnetfeld B um diesen Leiter. Wenn der Draht zu einer Spule gewickelt wird, wird das Magnetfeld verstärkt und es nimmt um die Spule die Form eines Magnetstabes mit Nord- und Südpol an.

Nach Amperes Gesetz ist der magnetische Fluss um eine Spule direkt proportional zum Strom, der durch die Spule fließt. Die magnetische Feldstärke einer Spule wird über die Durchflutung definiert. Je mehr Windungen die Spule hat, desto größer ist das Magnetfeld um die Spule.

Genauso ist es möglich, den elektrischen Strom zu entfernen und stattdessen einen Dauermagneten innerhalb der Spule zu platzieren. Durch mechanische Bewegung des Dauermagneten und damit des Magnetfeldes wird ein Strom in der Spule induziert. Es wird auch ein Strom induziert wenn die Spule über den Dauermagneten bewegt wird. Somit kann durch Bewegung der Spule oder Änderung des Magnetfeldes Spannung und Strom induziert werden. Dieser Prozess wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet, was das grundsätzliche Prinzip eines Übertragers darstellt.

Wenn zwei Spulen nicht nah genug beieinander liegen, durchfließt nicht der gesamte primäre magnetische Fluss die Sekundärspule, was zu einer schlechten Kopplung und zu einer Streuinduktivität führt. Die Streuinduktivität ist immer bei einem gekoppelten Spulensystem vorhanden weil die magnetische Kopplung zweier Spulen nicht ideal ist.

Elektromagnetische Resonanz

Ist eine schlechte Kopplung zwischen zwei galvanisch isolierten Spulen vorhanden, entsteht eine Streuinduktivität. Einer der Gründe für eine schlechte Effizienz zwischen zwei Spulen mit geringer Kopplung ist die sekundäre Streuinduktivität, welche viel größer ist als die genutzte Last an der sekundären Spule. Diese Streuinduktivität erfordert eine große induzierte Spannung auf der sekundären Schaltung. Ein größerer Strom auf der Primärspule hat eine größere induzierte Spannung auf der Sekundärseite zur Folge und damit werden größere Verluste erzeugt. Daher ist es üblich bei induktiven Verbindungen die sekundäre Streuinduktivität mit einer Kapazität zu eliminieren.

Elektrostatische Induktion

Elektrostatische Induktion ist ein Verfahren, kontaktlos Energie zwischen zwei Elektroden einer Kapazität zu übertragen. Eine Hochfrequenz-Wechselspannung wird auf die Platten einer Kapazität angelegt, welche nahbeieinander liegen. Ein elektrisches Feld wird generiert und führt zu einer Stromverschiebung. Damit ist das elektrische Feld der Energieträger. Die Energieübertragung ist proportional zum Abstand der Platten.

Fernfeld-Technologie

Mit der Fernfeld-Technolgie ist eine Energieübertragung über größere Distanzen, oft auch über mehrere Kilometer möglich. Die Entfernungen sind größer als die Außendurchmesser der benutzen Spulen.

Es gibt folgende kontaktlose Energieübertragungstechniken über das Fernfeld:

  • Mikrowellen Leistungsübertragung
  • Laserstrahlung

Mikrowellen-Leistungsübertragung

Der Vorgang der Mikrowellen-Leistungsübertragung beinhaltet die Umwandlung von Energie in Mikrowellen und die Übertragung der Wellen über einen Gleichrichter und eine Antenne. Die übertragenen Mikrowellen werden am Empfänger in konventionelle elektrische Energie umgewandelt.

Folgende Schritte sind nötig:

  • Umwandlung der elektrischen Energie in Mikrowellen mit einem Magnetron
  • Empfang der Mikrowellen Energie mit einem Gleichrichter und einer Antenne
  • Umwandlung der Mikrowellen Energie in elektrische Energie

William C. Brown, ein Pionier im Bereich der kontaktlosen Energieübertragung, hat ein System konzipiert und entwickelt um zu demonstrieren, wie Energie über einen freien Raum mit Mikrowellen übertragen werden kann.

Laserstrahlung

Laserstrahlung ist die kontaktlose Energieübertragung (Wärme oder elektrisch) vom Sender zum Empfänger mit Laserstrahlen. Bei der Gewinnung von Solarenergie wird das gleiche Übertragungsverfahren genutzt, wobei die Sonnenstrahlen auf photovoltaische Zellen treffen und das Sonnenlicht in Energie umwandeln. Eine spezielle photovoltaische Zelle wandelt die Laserstrahlen in Energie um. Die Laserstrahlen sind sehr viel stärker als das Sonnenlicht, ermöglichen eine gezielte Ausrichtung auf bestimmte Orte und können 24 Stunden am Tag Energie liefern. Diese Energie kann über die Luft, durch den Weltraum oder über optische Leiter übertragen werden.

Die Vorteile der Laserstrahlung:

  • Die enge Strahlung erlaubt eine große Energiekonzentration auf großen Distanzen.
  • Die Empfänger sind sehr klein und können leicht in vorhandene Geräte integriert werden.
  • Die Leistung kann ohne Hochfrequenzstörung übertragen werden (z.B. WLAN oder LTE).
  • Laserstrahlung kann jede vorhandene Energiequelle für den Laser nutzen.
  • Energie kann über den freien Raum oder optische Leiter übertragen werden.

Die Nachteile der Laserstrahlung:

  • Schlechte Effizienz
  • Sender und Empfänger müssen eine Sichtverbindung haben
  • Die Effizienz des Systems ist wetterabhängig

Dominierende Standards

Der Erfolg dieser Lösungen hängt vom Einhalten eines Standards auf der Sender- und Empfängerseite ab. Nur wenn gewährleistet ist, dass das Gerät herstellerunabhängig an jeder, dem Standard entsprechenden Versorgungsstation problemlos betrieben werden kann, wird sich das System am Markt etablieren. Welche Standardansätze gibt es und welche Technik steckt dahinter?

Wireless Power Consortium (WPC)

WPC.png
  • Energieübertragung mit induktiver Kopplung über kurze Distanz (mm Bereich)
  • Sender- (Tx) und Empfängerspulen (Rx) sind induktiv gekoppelte Spulen
  • Das Magnetfeld ist in dem schmalen Bereich zwischen Sende- und Empfängerspule konzentriert
  • Jeder Sender kann nur einen Empfänger bedienen
  • Verschiedene Leistungsklassen (5W, 15W, höhere in Planung bis 2.4kW)
  • Frequenzbereich 100 – 205 kHz
  • Spulenformen: gewickelt auf Ferrit oder gedruckt auf Leiterplatte
  • Die mit über 1000 zugelassenen Geräten derzeit (06/2016) meist etablierte Lösung weltweit

Airfuel

Airfuel.jpg
  • Erstes Ladeprinzip ist die magnetische Resonanz aus dem vorherigen Standard A4WP (Alliance for Wireless Power): Dabei stellt ein Sendeschwingkreis bei einer Resonanzfrequenz die Energie zur Verfügung. Entsprechend auf die Resonanzfrequenz abgestimmte Empfänger können die Energie übernehmen
    • Größerer Abstand in z-Richtung (50mm) und keine genaue Positionierung des Empfängers nötig
    • Ein Sender kann mehrere Empfänger gleichzeitig versorgen
    • Leistungsklasse geplant für Smartphones und Tablets, z.Z. bis 22W
    • Frequenzbereiche: Energie 6,78 MHz (ISM Band), Daten 2,4 GHz (BTLE)
    • Erste kommerzielle Produkte werden wahrscheinlich 2016 auf dem Markt erscheinen
  • Zweites Ladeprinzip ist eine induktiv gekoppelte Lösung aus dem vorherigen Standard PMA (Power Matters Alliance)
    • Die induktiv gekoppelte Lösung nutzt ein anderes Protokoll und ein anderes Übertragungsfrequenzband (Details nur für Mitglieder) als die Qi Lösung des WPC
    • Keine direkte Kompatibilität mit Qi, es sind dual Standard Receiver erhältlich

Proprietäre Systemlösung

Alle Standards haben ihre Vor- und Nachteile. Ca. 50% der Applikationen in der Industrietechnik oder Medizintechnik sind nicht darauf angewiesen, mit anderen Herstellern oder anderen Endgeräten kompatibel zu sein. Mit diesem grundsätzlichen Wegfall der Kompatibilität entwickeln Hersteller aus allen Bereichen, ausgenommen der Consumer- und Automobilbranche, proprietäre selbstentwickelte Systemlösungen.

Diese proprietären Lösungsansätze erfordern nicht immer kundenspezifische passive Bauteile zur kontaktlosen Energieübertragung, sondern es können WE-WPCC Standard Sender- und Empfängerspulen eingesetzt werden.

Nachfolgend sind hierfür zwei Beispiele abgebildet. Links eine rein diskret aufgebaute Schaltung bis zu einer Leistung von 100W und rechts ein Beispiel bis zu einer Leistung von 200 W inklusive Datenkommunikation.
Eine Schaltung bis zu einer Leistung von 200 W (inkl. Datenkommunikation)
Eine rein diskret aufgebaute Schaltung bis zu einer Leistung von 100 W

Grundlagen

Bei der kontaktlosen Energieübertragung, ob mit induktiver Kopplung oder mit magnetischer Resonanz, liegt immer das Induktionsgesetz nach Faraday zugrunde.

Das Induktionsgesetz nach Faraday beschreibt das grundlegende Prinzip der Energieübertragung.

Energieübertragung Faraday.png

Wird die Primärspule (Senderspule) mit einem Strom durchflossen, so wird ein magnetischer Fluss Φ1 erzeugt. Dieser magnetische Fluss Φ1 erzeugt in der Sekundärspule (Empfängerspule) nach dem Induktionsgesetz eine Induktionsspannung. Da Sender- und Empfängerspule räumlich voneinander getrennt sind, durchdringt nur ein Teil des magnetischen Flusses Φ21 die Empfängerspule und kann zur Versorgung eines Verbrauchers genutzt werden. Diese magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen wird durch das Verhältnis der magnetischen Flüsse Φ21/ Φ1 beschrieben.

Der Kopplungsfaktor k wird wie folgt definiert:

k = M * (L1/L2)^1/2

M ist die Gegeninduktivität zwischen den beiden Spulen. L1 und L2 sind die Selbstinduktivitäten der beiden Spulen. Der Kopplungsfaktor ist sehr stark vom Versatz der Spulen in x-,y- und z-Richtung abhängig. Die Kopplung kann durch das Anbringen von ferromagnetischen Material an der Spule verbessert werden, da der magnetische Fluss gebündelt wird. Das Ferritmaterial wirkt zusätzlich als Schirmung gegenüber Schaltungsteilen in der Nähe der Sender- und Empfängerspulen durch Reduktion der induzierten Störspannung. Der Kopplungsfaktor bei einem idealen Transformator liegt bei 1, bei einem induktiv gekoppelten System werden aber maximale Kopplungen von 0.2 – 0.7 erreicht. Die Kopplung k ist direkt proportional zur Gegeninduktivität M, welche unter anderem durch unterschiedliche äußere Einflüsse verbessert oder verschlechtert werden kann.

Die Güte der Spulen hat einen direkten Einfluss auf die Kopplung und den Wirkungsgrad bei der kontaktlosen Energieübertragung. Die Güte wird wie folgt definiert:

Q = XL/RL = (ω0 * L)/R

Der Wirkungsgrad einer induktiv gekoppelten Energieübertragung lässt sich mit folgender Formel beschreiben:

η = Pout/Pin

Pin ist die DC-Eingangsleistung und Pout die DC-Ausgangsleistung an der Last RL.

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