Die kontaktlose Energieübertragung wird beispielsweise für Landwirtschaft und Medizintechnik interessant, da so auf anfällige Teile verzichtet und hygienischer gearbeitet werden kann.

Bild: Würth Elektronik eiSos

Grundlagen Das Funktionsprinzip der kontaktlosen Energieübertragung

12.06.2019

Seit der immer größer werdenden Verbreitung von Wireless Power Transfer in der Consumer-Elektronik, etwa bei Smartphones und Ladestationen, richtet sich auch der Blick bei Herstellern von Industrie- und Medizintechnik immer mehr auf diese Technologie und ihren Vorteile.

Die kontaktlose Energieübertragung bietet besonders für Industriezweige, die mit harten Umgebungsbedingungen zu tun haben, interessante Ansätze. Das können beispielsweise landwirtschaftliche Geräte und Baumaschinen sein sowie Gerätschaften für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen (ATEX). Dabei lassen sich beispielsweise teure und anfällige Schleifringe ersetzen, was den Wartungsaufwand verringert und die Lebensdauer des jeweiligen Produktes verlängert.

Auch in der Medizintechnik bieten sich zahlreiche Vorteile durch die Wireless-Power-Transfer-Technologie. Hier bestehen besondere Anforderungen an die Hygiene und die Keimfreiheit von Medizingeräten. Weiterhin müssen die Geräte und Systeme beständig gegen scharfe Reinigungsmittel und Chemikalien sein.

Es kann damit auf spezielle Stecker verzichtet werden, die etwa besondere Eigenschaften in Bezug auf Dichtigkeit haben müssen. Da auch die Datenkommunikation dank WLAN und Bluetooth immer mehr drahtlos erfolgt, bietet es sich ebenfalls an, die von Geräten benötigte Energie kontaktlos zu übertragen.

So fließt die Energie drahtlos

Würth Elektronik eiSos nutzt ausschließlich die Energieübertragung im Nahfeld. Zu dieser Übertragungsart zählt die induktive Kopplung, die auf dem magnetischen Fluss zwischen zwei Spulen basiert. Die Übertragungsstrecke besteht aus vier Hauptkomponenten. Auf der Senderseite ist das ein Oszillator, der als Wechselrichter arbeitet, und eine Transmitterspule. Auf Empfängerseite besteht das System aus der Empfangsspule und dem Gleichrichter. Er generiert aus der Wechselspannung eine Gleichspannung.

Der Oszillator erzeugt aus der Eingangsgleichspannung einen Wechselstrom, der dann in der Senderspule (L1) ein Wechselfeld erzeugt. Durch die Gegeninduktion zwischen beiden Spulen erfolgt die Energieübertragung zwischen der Senderspule L1 und der Empfängerspule L2. Durch den Wechselstrom in der Senderspule wird eine Wechselspannung in der Empfängerspule induziert. Nach dem Induktionsgesetz nach Faraday wird die Wechselspannung dann gleichgerichtet und an die Last weitergeben.

Zum Problem wird, dass bei größeren Abständen zwischen Sende- und Empfangsspule der Streufluss stark zunimmt und damit die Effizienz der Energieübertragung geringer wird. Dies entspricht der Funktion eines Transformators mit loser Kopplung. Abhilfe schafft hier die resonant induktive Kopplung. Das Prinzip der induktiv resonanten Energieübertragung kann also vergleichsweise einfach in einer Applikation realisiert werden.

Vorteile im Alltagseinsatz

Die Schaltung mit einem Oszillator mit festen Tastverhältnis (50 Prozent) und Vollbrücken-MOSFET-Treiber, einer Vollbrücke aus vier schaltenden Elementen (MOSFETs) und einem Gleichrichter (Brückengleichrichter oder synchron Gleichrichter) sowie Serienschwingkreis mit Resonanzkondensator und WPT-Empfänger beziehungsweise -Senderspule ist nicht selbstschwingend. Die Schaltfrequenz wird vom Oszillator bestimmt und ist auf die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises abgestimmt. Die Vorteile dieses Konzeptes sind:

  • Skalierbarkeit von kleiner bis sehr großer Leistung (10 W bis mehrere 10 kW)

  • günstiges EMV-Verhalten durch sinusförmigen Stromverlauf im Resonanzkreis und Gleichrichter

  • MOSFETs schalten bei Spannungsnull (ZVS), dadurch sehr hoher Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent

  • leicht skalierbar für viele verschiedene Spannungen und Ströme

  • durch Ändern der Schaltfrequenz kann die Ausgangsspannung größer oder kleiner gegenüber der Eingangsspannung sein

  • Ausgangsspannung kann geregelt werden

  • Datenübertragung zwischen Empfänger und Transmitter ist möglich

Datenübertragung vom Sender zum Empfänger

Mit dieser Schaltungsart ist auch möglich, Daten zwischen Sender und Empfänger und auch umgekehrt zu übertragen. Realisiert wird das durch Modulation des Wechselfeldes zwischen den Spulen. Die Datenübertragung erfolgt seriell mit einer Übertragungsrate von rund 9,6 Kilobaud.

In unserem Beispiel erfolgt die Datenübertragung vom WPC-Empfänger zum WPC-Sender. Eine praktische Anwendung ist zum Beispiel eine Sensorapplikation. Ein am WPC-Empfänger angeschlossener Sensor wird über die WPC-Spule mit Energie versorgt und gleichzeitig werden die Sensordaten über die gleiche Spule zum WPC-Sender übertragen.

Auf Empfängerseite (Datenquelle) wird zum vorhandenen Resonanzkondensator durch einen Schalter ein zusätzlicher Kondensator geschaltet. Dieser Schalter ist mit dem Ausgang der UART des Mikrocontrollers verbunden. Durch einen AM-Demodulator und den UART-Controller werden aus dem modulierten Signal an der Senderspule die Daten wieder zurückgewonnen.

Zusammenfassung und Messaufbau

Mit dieser vorgestellten Schaltungstopologie ist es möglich, sehr hohe Leistungen mit mehreren Zehntausend Watt kontaktlos zu übertragen. Es ist sowohl die Übertragung von Energie als auch die von Daten möglich. Der Hardware-Entwickler kann die Schaltung durch das Ändern beziehungsweise Erweitern beliebig an seine Anwendung anpassen. Aufgrund der Möglichkeit, auch Daten übertragen zu können, ist eine Regelung der Ausgangsspannung realisierbar.

Entscheidend für einen hohen Wirkungsgrad und eine möglichst kompakte Bauform sind neben dem Schaltungsdesign vor allem die Sende- und Empfängerspulen. Würth Elektronik Eisos bietet unter anderem auch die Spulen mit dem höchsten Q-Faktor in der jeweiligen Bauform. Dadurch können hohe Induktivitätswerte erzielt werden. Das sorgt wiederum für kleine Bauformen bei den Resonanzkondensatoren.

Zudem werden für höhere Leistungen ausschließlich HF-Litze (geringere AC-Verluste) und hochwertiges Ferritmaterial (hohe Permeabilität) verwendet. Das bedeutet für die Applikation den maximalen Wirkungsgrad und die bestmöglichen EMV-Eigenschaften.

Bildergalerie

  • Das Prinzip der drahtlosen Energieübertragung.

    Bild: Würth Elektronik eiSos

  • Prinzip der resonant induktiven Energieübertragung.

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  • Blockschaltbild eines Vollbrücken-Resonanz-Wandlers.

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  • Prinzip der Energieübertragung während der positiven (oben) und negativen (unten) Halbwelle (ICr/Lr) im Resonanzkreis.

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  • Oszillogramm Drain-Signale A-B, C-D und Spulenstrom (Ue = 20 V, Ua = 17 V, Ia = 6 A, Pa = 100 W).

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  • Simulation Resonanzverhalten bei verschiedenen Lastzuständen.

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  • Datenübertragung vom Empfänger zum Sender (Ue = 20 V, Ua = 17 V, Ia = 6 A, Pa = 100 W).

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  • Prinzip der Datenübertragung vom Empfänger zum Sender.

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  • Der Messaufbau mit WPC-Transmitter und WPC-Receiver.

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