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Technik – Ausgewählte Anwendungen

Wireless Power Transfer

Technologie

WPT bezeichnet die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie. Ein hoher Wirkungsgrad ist jedoch nur über relativ kurze Strecken möglich (bei den meisten Anwendungen: wenige cm bis wenige dm), weil elektrische Energie im freien Raum die Tendenz hat, sich in alle Richtungen auszubreiten. Die Übertragung durch die Luft ist nur mit Wechselfeldern möglich. Bei allen kommerziellen Anwendungen ist die Übertragungsfrequenz höher als jene der Quelle (Gleichstrom, DC, oder Netzfrequenz, AC von 50 Hz). Die Verfügbarkeit von Konvertern mit hohem Wirkungsgrad (bis 98%), sowohl für DC-AC als auch für AC-AC, macht WPT zunehmend attraktiv.

Physikalisches Prinzip

Wireless Power Transfer für mobiles Aufladen. Quelle: wikimedia commons

Praktisch eingesetzt werden v.a. zwei Verfahren: der induktive Leistungstransfer (inductive power transfer, IPT) und die resonante magnetische Kopplung (magnetic resonant coupling, MRC). Beide Verfahren beruhen auf dem Induktionsprinzip: eine primäre Spule („Sender“) erzeugt ein Magnetfeld, das bei der sekundären Spule („Empfänger“) eine Spannung induziert. Anders als beim klassischen Transformator sind bei WPT die primäre und die sekundäre Spule räumlich durch die Übertragungsstrecke getrennt, wodurch die magnetische Kopplung zwischen den Spulen geringer wird (Grafik). Das vermindert die induzierte Spannung in der Sekundärspule und damit den Leistungstransfer im Vergleich zum Transformator. Ein wesentlicher Unterschied zwischen IPT und MRC ist, dass mittels MRC der Spannungsverlust geringer gehalten werden kann. Realisiert wird das durch eine schaltungstechnische Massnahme (Einfügen von Kapazitäten) im Sekundärkreis, so dass dieser zu einem resonanten Schwingkreis wird. Ein resonanter Schwingkreis besitzt einen höheren Stromfluss, was bei einer gegebenen Last (Widerstand) eine höhere Spannung zur Folge hat. Der Wirkungsgrad steigt damit gegenüber nicht-resonanter Übertragung.

Anwendungen

Drahtlose Energieübertragung wird in verschiedenen Leistungsklassen eingesetzt. Anwendungen zur Speisung von Sensoren oder RFIDs übertragen einige Mikrowatt (μW), Low-Power Systeme zum Laden von Mobiltelefonen und ähnlichen Geräten (Figur) oder auch zur Speisung von implantierten medizinischen Systemen transferieren einige wenige Watt. Mid-Power Anwendungen können Laptops, Lampen oder Putzroboter mit bis zu 30 W Leistung aufladen. Im Mobilitätsbereich geht es um High-Power Anwendungen (bis mehrere 100 kW Leistung zum Aufladen und/oder Betreiben von E-Mobilen und E-Bussen). Der vielen Vorteile wegen dürfte WPT aller Voraussicht nach schon bald die Methode der Wahl zum Aufladen von Elektrofahrzeugen sein. Die technischen Lösungen sind vorhanden. Die zur Energieübertragung notwendigen starken elektromagnetischen Felder müssen auf nicht zugängliche Bereiche unter dem Fahrzeug eingegrenzt werden. Die Feldwerte im zugänglichen Nahbereich der Fahrzeuge müssen die Immissionsgrenzwerte der NISV (im EU-Raum: die Empfehlungen der ICNIRP) einhalten. Bei gut optimierten Gesamtsystemen kann dies sichergestellt werden.

Quelle: wikimedia commons

Normierungsaktivität

Normierungsbestrebungen sind auf internationaler Ebene durch die IEC (International Electrotechnical Commission) und auf europäischer Ebene durch die CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) weit fortgeschritten, aber noch nicht abgeschlossen. Eine Übersicht über die Lage im 2013 gibt die Tabelle. Inzwischen (2015) haben sich die Konsortien PMA und A4WP zusammengeschlossen und portieren den Standard Rezence, der auf dem Prinzip der resonanten Kopplung basiert. Der in der Konsumgüterindustrie am meisten verbreitete Qi-Standard arbeitet dagegen mit enger induktiver Kopplung. Allerdings ist das Qi-Konsortium inzwischen an der Ausarbeiten eines (zweiten) Standards für resonante Kopplung.

Quelle: FSM
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