Kontaktlose Energieübertragung

Bei der kontaktlosen Energieübertragung (auch drahtlose Energieübertragung oder kabellose Energieübertragung; engl.: wireless energy (power) transfer der contactless energy (power) transfer) wird einem Gerät die zum Betrieb notwendige elektrische Energie nicht über Kabel und elektrische Kontakte zugeführt, sondern durch Nutzung von elektromagnetischen Feldern oder anderen physikalischen Wirkprinzipien.

Wirkprinzipien

Es gibt verschiedene Wirkprinzipien, die zur kontaktlosen Energieübertragung genutzt werden können. Die wichtigsten sind:

• Induktive Energieübertragung
• Kapazitive Energieübertragung
• Elektromagnetische Energieübertragung
• Kontaktlose Energieübertragung mittels LASER
• Kontaktlose Energieübertragung mittels Ultraschall

Induktive Energieübertragung

Induktive Energieübertragung ist die am weitesten verbreitete Methode zur kontaktlosen Energieübertragung. Häufig wir der Begriff „kontaktlose Energieübertragung“ synonym für „induktive Energieübertragung“ verwendet.

Prinzip

Zur induktiven Energieübertragung wird im Transmitter (Sender, Generator) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dies erfolgt mit Hilfe einer Spule (Transmitterspule), die von einem Wechselstrom durchflossen ist. Der Empfänger (engl. Receiver) enthält ebenfalls eine Spule. Diese wird von einem Teil des magnetischen Wechselfelds durchdrungen. Dadurch wird in der Empfängerspule eine Spannung induziert. Wenn an der Spule eine elektrische Last angeschlossen wird, kommt es aufgrund der induzierten Spannung zum Stromfluss durch die Last und es wird Leistung übertragen. Das Wirkprinzip entspricht dem eines Transformators mit schwacher Kopplung der Spulen.

Frequenzbereich

Der verwendete Frequenzbereich reicht von einigen 10 kHz bis in den MHz-Bereich hinein. In diesem Frequenzbereich spielt die Ausbreitung als elektromagnetische Welle keine Rolle für die Anwendung. Der Empfänger befindet sich im magnetischen Nahfeld des Transmitters und die Berechnungen erfolgen unter der Annahme eines quasistatischen Magnetfeldes.

Resonanzbetrieb

Üblicherweise verwendet man im Empfänger und im Transmitter Resonanzkondensatoren, die mit den Spulen Resonanzkreise (oder auch Schwingkreise) bilden. Es entstehen unterschiedliche Resonanzen, die je nach Abstimmung unterschiedlich genutzt werden können um

• die übertragene Leistung zu maximieren,
• die Effizienz der Leistungsübertragung zu optimieren,
• durch Frequenzvariation die übertragene Leistung einzustellen,
• die Last-Charakteristik der übertragenen Leistung dem Bedarf anzupassen,
• Variationen der magnetischen Kopplung zu kompensieren,
• die Impedanz der Transmitterspule an die Anforderungen des Wechselstrom-Generators anzupassen,
• den Magnetisierungsstrom der Transmitterspule zu kompensieren, um Verluste im Generator zu reduzieren,
• eine Filterwirkung zu erzielen, um höhere Frequenzanteile des Generators zu unterdrücken.

Häufig schließen sich die unterschiedlichen Anforderungen gegenseitig aus, sodass fast immer ein Kompromiss bei den Resonanzeigenschaften notwendig ist.

Der Begriff „Resonante Energieübertragung“ (engl. resonant power transmission) beschreibt Systeme, die Resonanzen aus dem erstgenannten Grund verwenden. Dies ist insbesondere bei größeren Abständen sinnvoll, wie vor über 120 Jahren schon Nikola Tesla gezeigt hat. Das Wirkprinzip der „Resonanten Energieübertragung“ unterscheidet sich in keiner Weise von dem der induktiven Energieübertragung, wie sie hier beschrieben wird. Lediglich die Wortwahl weicht von der allgemein üblichen ab.

Wirkungsgrad

Verluste treten im Normalbetrieb ausschließlich in den Spulen als Leitungsverluste und gegebenenfalls in Abschirmmaterial als Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste auf. Weiterhin entstehen Verluste wie in jedem leistungselektronischen System im Generators des Transmitters und im Gleichrichter des Empfängers. Abstrahlverluste des Magnetfeldes sind vernachlässigbar. Im Fehlerfall können in metallischen oder weichmagnetischen Objekten Verluste induziert werden. Ein guter Wirkungsgrad von über 50% ist auch im resonanten Betrieb nur möglich, wenn Transmitter und Empfänger nicht zu weit voneinander entfernt sind. Als Faustformel gilt, dass der Abstand unter dem ein-bis zweifachen Wert des Durchmessers der größeren Spule bleiben sollte. Weiterhin sollte der Größenunterschied der beiden Spulen nicht wesentlich mehr als Faktor 3 bis 4 betragen ^[1]. Der Wirkungsgrad typischer Systeme von Spule zu Spule reicht von 60% bis 70% für einfache Systeme geringer Leistung bis 97% bei 10 kW und 15 cm Abstand und ca. 50 cm Spulendurchmesser.

Weitere technische Details sind unter induktive Energieübertragung zu finden.

Kapazitive Energieübertragung

Prinzip

Ein System zur kapazitiven Energieübertragung besteht aus den folgenden Komponenten: Zwei elektrisch leitfähigen Flächen bilden Transmitterelektroden. Die Flächen sind nebeneinander (ko-planar) angeordnet und haben normalerweise an der Oberfläche eine elektrische Isolierschicht. An diesen Elektroden wird ein elektrisches Wechselpotential angelegt, wobei das Potential der beiden Elektroden jeweils unterschiedliche Polarität aufweist. Der Empfänger enthält zwei entsprechende Elektroden, die jeweils Fläche an Fläche in die Nähe der Transmitterelektroden gebracht werden. Dabei bleiben die Empfängerelektroden aber von den Transmitterelektroden elektrische isoliert. Jeweils eine Transmitter- und eine Empfängerelektrode bilden so jeweils einen Flächenkondensator. Wenn die beiden Empfängerelektroden durch eine elektrische Last verbunden werden, bildet sich so ein Stromkreis, der aus einer Reihenschaltung den beiden Flächenkondensatoren und der Last besteht. Wegen des elektrischen Wechselpotentials kann nun ein Wechselstrom fließen und es wird Leistung übertragen.

Im Bereich der Datenübertragung und geringer Leistung gibt es Systeme mit nur einer expliziten Transmitter- und Empfängerelektrode. Der Stromkreis wird hierbei über die elektrischen Streufelder zwischen Transmitter – und Empfänger geschlossen, dabei noch bestenfalls über die Streufelder zwischen den jeweiligen Masse-Flächen.

Frequenzbereich

Der üblicherweise verwendete Frequenzbereich reicht von einigen 100 kHz bis in den MHz-Bereich. In diesem Frequenzbereich spielt die Ausbreitung als elektromagnetische Welle keine Rolle für die Anwendung und die Berechnungen erfolgen unter der Annahme eines quasistatischen elektrischen Feldes sowie von konzentrierten Ersatz-Bauelementen.

Resonanzbetrieb

Üblicherweise verwendet man im Empfänger oder im Transmitter ein oder mehrere Resonanzspulen, die mit den Flächenkondensatoren einen Resonanzkreis (bzw. Schwingkreis)bilden. Je nach Abstimmung kann der der Resonanzkreis genutzt werden um:

• die übertragene Leistung zu maximieren,
• durch Frequenzvariation die übertragene Leistung einzustellen,
• die Last-Charakteristik der übertragenen Leistung dem Bedarf anzupassen,
• die Impedanz der Transmitterspule an die Anforderungen des Wechselstrom-Generators anzupassen,
• eine Filterwirkung zu erzielen, um höhere Frequenzanteile des Generators zu unterdrücken.

Meistens steht die Maximierung der übertragenen Leistung im Vordergrund. In der Resonanzfrequenz kompensiert die Spule den komplexen Widerstand der beiden Kondensatoren und ermöglicht so eine Leistungsübertragung mit wesentlich geringerer Generatorspannung. Eine Steigerung des Wirkungsgrades durch Resonanzen ist nur durch eventuelle Effekte zweiter Ordnung möglich.

Wirkungsgrad

Verluste treten auf in den Zuleitungen und Elektroden als ohmsche Verluste, in der Isolierschicht als dielektrische Verluste und im Resonanzbetrieb in der Resonanzspule. Bei Verwendung von gut leitenden Elektroden und einem verlustarmen Dielektrikum kann ein Wirkungsgrad über 90% erzielt werden.

Elektromagnetische Energieübertragung

Prinzip

Zur elektromagnetischen Energieübertragung werden elektromagnetische Wellen verwendet. Das Prinzip entspricht der Übertragung von Radiosignalen. Die Entfernung zwischen Transmitter und Empfänger ist groß genug, dass die Welleneigenschaften der elektromagnetischen Felder relevant sind und genutzt werden können. Als Transmitter ebenso als Empfänger werden Antennen wie Dipole oder andere Antennentypen, insbesondere mit Richtwirkung, verwendet.

Frequenzbereich

Es werden Frequenzen im oberen 100 MHz- bis GHz-Bereich verwendet. Einige Systeme verwenden dieselben Frequenzbereiche wie die GSM Mobilfunktechnik und benutzt kompatible Sender und Empfänger, allerdings auf geringere Entfernung als zur Kommunikation.

Eigenschaften

Anders als bei quasistatischen induktiven und kapazitiven Systemen treten hier echte Abstrahlungsverluste auf. Die erzeugten elektromagnetischen Wellen breiten sich von der Quelle aus und tragen Energie mit sich. Wellenanteile, die nicht vom Empfänger genutzt werden, gehen verloren. Dadurch sind insbesondere Transmitter-Systeme ohne Richtwirkung sehr ineffizient. Des Weiteren ist die Erzeugung der vergleichsweise hohen Frequenzen im Transmitter und die Gleichrichtung im Empfänger ineffizienter als bei niedrigen Frequenzen wie bei den quasistatischen Systemen. Durch Richtwirkung können jedoch größere Entfernungen als bei den quasistatischen Systemen von einigen Metern überbrückt werden, wobei dann die Effizienz (auf niedrigem Niveau) besser ist. Gegenstände innerhalb des Übertragungsweges können dann jedoch eine starke Dämpfung verursachen und die Leistungsübertragung zunichtemachen.

Energieübertragung mittels Laser

Prinzip

Zur Energieübertragung wird ein gerichteter Lichtstrahl, vorzugsweise im Infrarotbereich verwendet. Dazu wird ein Infrarot-Laser verwendet. Der Lichtstrahl wird auf eine Photozelle im Empfänger gerichtet, die das Licht in elektrische Energie wandelt.

Eigenschaften

Die eigentliche Energieübertragung erfolgt sehr gerichtet, sodass dabei wenig Energie verloren geht. Allerdings ist die Wandlung von elektrischer Energie in Licht und umgekehrt nur wenig effizient. Obwohl zur Umwandlung von elektrischer Energie in Infrarot-Licht Infrarot-Halbleiterlaser (z.B. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) die beste Umwandlungseffizienz von allen Lichtquellen haben, ist die Effizienz doch nur im Bereich 50%. Der beste Wirkungsgrad einer Solarzelle wurde kürzlich mit 28.2% (unter Standard Bedingungen) berichtet ^[2]. Konzentriertes Infrarot-Licht ermöglicht eventuell einen etwas höheren Wirkungsgrad. Mehr als 20% Effizienz dürfte für die gesamte Übertragungskette jedoch unwahrscheinlich sein. Der Transmitter muss über eine gute und genaue Erkennung von Empfängern verfügen und in der Lage sein, seinen Laserstrahl genau zu positionieren. Insbesondere bei bewegten Objekten ist dies eine große Herausforderung. Um Leistungen im Bereich einiger Watts zu übertragen, muss der Laserstrahl so stark sein, dass er gefährlich wird. Er kann dann leicht beispielsweise lebendes Gewebe durchschneiden. Daher muss eine genaue und sehr schnelle Erkennung und Abschaltung erfolgen, wenn Gegenstände in den Bereich des Laserstrahls geraten.

Verfügbarkeit

Das amerikanische Start-Up-Unternehmen Powerbeam hat 2007 einen Prototyp vorgestellt und ein entsprechendes Patent angemeldet.

Energieübertragung mittels Ultraschall

- hier fehlt noch Inhalt –

Historie

- hier fehlt noch Inhalt –

Anwendungen

Die meisten Anwendungen der kontaktlosen Energieübertragung basieren auf dem Prinzip der induktiven Energieübertragung. Hier gibt es zum Teil schon seit längerem kommerziell verfügbare Produkte. Die anderen Prinzipien sind weniger verbreitet und die Anwendungen befinden sich größtenteils im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium oder frühem Produktstadium. Im folgenden werden einige Anwendungen aufgelistet – ohne Anspruch auf Vollständigkeit:

Induktive Energieübertragung

Consumer Elektronik

• Hygienegeräte: Zahnbürste, Rasierapparat, Hand-Massager
• Dekorative Beleuchtung: Stimmungslampen
• Mobilgeräte: Mobiltelefone, Musikspieler, Kameras, Batterien
• Laptop-Computer
• Fernsehgeräte
• Wärme-Schuhe
• Computer-Maus

Industrie

• Autonome Transportfahrzeuge
• Werkzeugstationen
• Leistungsübertragung auf rotierende und bewegliche Teile
• Sensorsysteme

Verkehr

• Elektro-Bikes
• Elektro-Autos
• Elektrobusse

Medizin

• Implantate (Herzpumpe, Cochlea, Retina, Herzschrittmacher)
• Autonomes Endoskop
• Sensoren

Kapazitive Energieübertragung

• Laden von Mobilgeräten

Elektromagnetische Energieübertragung

• RFID Geräte
• Passive Radioempfänger (Detektor-Empfänger)
• Dekorative Beleuchtung, z.B. Weihnachtsbaumbeleuchtung

Standards und Normen

Zur kabellosen Energieübertragung gibt es noch wenige Standards und Normen. Die existierenden beziehen sich bisher ausschließlich auf induktive Energieübertragung.

Mobilgeräte

Seit Mitte 2010 gibt es einen Industriestandard, genannt Qi (gesprochen: „chi“), zur induktiven Energieübertragung zu Mobilgeräten bis 5W. Er wurde erstellt durch das Wireless Power Consortium ^[3], einer internationalen Vereinigung von Unternehmen, das 2007 gegründet wurde mit dem Ziel, kontaktlose Energieübertragung zu Geräten in der Consumer-Elektronik zu standardisieren.

Elektrofahrzeuge

In der DKE gibt es den Arbeitskreis AK 353.0.1, der Ende 2010 den Entwurf einer Anwendungsregel zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen erstellt hat. Der Entwurf ist zur Zeit (Juli 2011) noch in der Kommentierungsphase.

Emission von elektromagnetischen Feldern

Es sind zur Zeit keine expliziten Standards und Normen zur Emission von elektromagnetischen Feldern von kontaktlosen Energieübertragungssystemen bekannt. Jedoch gelten die allgemeinen und für die jeweiligen Produktgruppen angepassten Standards und Normen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und zur elektromagnetischen Wirkung auf die Anwender (EMF), die zu beachten und anzuwenden sind. Zur EMF gibt es insbesondere die Limits der ICNIRP ^[4], die Basis für viele lokale Standards sind.

Siehe auch

• Drahtlose Energieübertragung
• Induktive Übertragung

Einzelnachweise

1. ↑ Eberhard Waffenschmidt, Toine Staring: Limitation of inductive power transfer for consumer applications, 13th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2009), Barcelona, Spain, 8.-10.Sep. 2009, paper #0607.
2. ↑ IEEE-Spectrum online: Solar Cell Breaks Efficiency Record, abgerufen am 4. August 2011.
3. ↑ Website des Wireless Power Consortium, abgerufen am 4. August 2011.
4. ↑ International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields, Health Physics April 1998, Volume 74, Number 4.