Kabellose Energieübertragung

 

 Kabellose Energieübertragung

Das vielleicht berühmteste Beispiel für kabellose Energieübertragung ist wohl Nikola Tesla’s Demonstration auf der Weltausstellung 1893 in Chicago als er Glühlampen kabellos mit Hilfe von hochfrequenten elektrischen Feldern zum Leuchten brachte. Tesla entwickelte seine Vision von kabellose Energieübertragung basierend auf magnetischer Induktion 1901 weiter mit dem Bau des Wardenclyffe Towers (300kW) auf Long Island. Dem Projekt war allerdings aus verschiedenen Gründen kein Erfolg beschieden.

Warum gewinnt kabellose Energieübertragung gerade jetzt an Bedeutung?

In den letzten 2-3 Jahren hat das Thema durch das massiv veränderte Benutzungsverhalten von Smartphone Besitzern einen starken Schub erfahren. Große Displays, schnelle Prozessoren, hohe Datenmengen, soziale Netzwerke, Mail und Chat, sowie eine unüberschaubare Menge von Applikationen führen zu einem Energieverbrauch, der mindestens ein tägliches Laden des Gerätes erfordert.

Was sind die Vorteile für den Nutzer?

Das kabellose Laden löst mehrere Probleme des Nutzers und bietet bisher nicht dagewesene Möglichkeiten

- Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten an öffentlichen Plätzen (Restaurant, Flughafen, Kino,..)

- Keine Steckerkompatibilitätsprobleme

- Kein Kabelverhau

- Bequeme Möglichkeit zu Laden; auch im Auto

- Sicherheit; keine offenen Ladekontakte (Explosionsschutz, Spielzeug)

- Kein mechanischer Verschleiß und erhöhte Zuverlässigkeit in rauer Umgebung (Nässe, Schmutz)

Was sind die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Verbreitung der Technologie?

Der wesentliche Erfolgsfaktor für kabellose Energieübertragung ist sicherlich das Erstellen und Einhalten von Standards für die Technik. Nur so ist sichergestellt, dass der Nutzer sein Gerät an allen zur Verfügung stehenden Ladestellen sicher, zuverlässig und herstellerunabhängig laden kann.

Was sind die Hauptanwendungsgebiete für kabellose Energieübertragung?

A. Laden von batteriebetriebenen Geräten

 

Die Konsumerendgeräte <20W sind zurzeit die Treiber der Technologie. Aber es lassen sich zukünftig auch Geräte mit höherer Leistung bequem kabellos laden.

B. Direkte Stromversorgung von gekapselten Geräten

 

Küchengeräte wie z.B. Wasserkocher, Mixer, Kaffeemaschinen können direkt kabellos mit Strom versorgt werden. Im industriellen Bereich können beispielsweise Pumpen, die 1im Inneren eines Tanks angebracht sind betrieben werden ohne ein Loch für das Stromkabel bohren zu müssen.

 

Welche unterschiedlichen Technologien gibt es für kabellose Energieübertragung?

Zurzeit gibt es 3 verschiedene Ansätze für eine standardisierte Lösung basierend auf elektromagnetischer Technologie.

A. Close coupled - Wireless Power Consortium ( WPC seit 2008)

 

- Energieübertragung mit induktiver Kopplung über kurze Distanz (mm Bereich)

- Sender (Tx) und Empfänger (Rx) -spulen sind induktive gekoppelte Spulen

- Das Magnetfeld ist konzentriert in dem schmalen Bereich zwischen Sende- und Empfängerspule

- Jeder Empfänger benötigt einen eigenen Sender

- Verschiedene Leistungsklassen (5W, 20W, höhere in Planung bis 2,5kW)

- Frequenzbereich 100 – 205 kHz

- Spulenformen: gewickelt auf Ferrit oder gedruckt auf Leiterplatte

- Zurzeit etablierteste Lösung im Markt. 170 zugelassene Geräte mit 15 Mio. Stück weltweit.

 

B. Loosely coupled (magnetic resonance) - Alliance for Wireless Power (A4WP seit 2012)

 

- Magnetische Resonanz Ladeprinzip

- Größerer Abstand in z-Richtung (50mm) und keine genaue Positionierung des Empfängers nötig

- Ein Sender kann mehrere Empfänger gleichzeitig versorgen.

- Leistungsklassen geplant für Smartphones und Tablets, z.Z. bis 22W

- Frequenzbereiche: Energie 6,78 MHz (ISM), Daten 2,4 GHz (Bluetooth)

- Keine Kompatibilität mit A. oder C.

 

C. Power Matters Alliance (PMA) - Powermat

 

- Technisch ähnliche Lösung wie A.

- Keine Kompatibilität mit A. oder B.

 

D. Kapazitiv Murata

 

- Die Lösung trennt im Prinzip einen Plattenkondensator, eine Platte im Sender und die andere im Empfänger.

- Für effiziente Energieübertragung muss die Spannung zwischen den Platten im kV Bereich liegen. Dies bedingt große Trafos in Sender und Empfänger.

- Ein Sender kann mehrere Empfänger gleichzeitig versorgen.

- Zurzeit eine Lösung mit 10W Leistung

- Vorteile der Lösung sind geringe Eigenerwärmung und EMV neutrales Verhalten.

- Nachteil: Sicherheitsaspekt durch Hochvolterzeugung zur Übertragung.

 

Marktsegmente

Der klare Markttreiber ist die hochvolumige Kommunikationstechnik (Smartphones). Dies hat den entscheidenden Vorteil, daß die technologische Lösung preisoptimiert und in hohen Stückzahlen für diesen Markt vorliegen wird.

Daraus ergibt sich für andere Anwendungen (Medizin, Industrie, Sicherheit,..) eine höhere Akzeptanz, die Technologie – angepasst an die eigenen Anforderungen – einsetzen zu wollen.

Welche Marktsegmente können mit kabelloser Energieübertragung bedient werden?

Generell

Kabelloser Energietransfer bietet eine Lösung für eine breite Palette von Anwendungen in den verschiedensten Industriebereichen. Dabei ist das kabellose Laden von batteriebetriebenen Geräten nur eine Anwendung. Speziell in Bereichen mit rauen oder explosionsgefährdeten Umgebungsbedingungen oder keimfreien Anwendungen gibt die kabellose Energieübertragung höhere Sicherheit, einfachere Nutzung und höhere Zuverlässigkeit.

Medizintechnik

Im Bereich der medizinischen Anwendung bietet sich kabelloser Energietransfer für Anwendungen an, die hermetisch gekapselt, leicht zu reinigen beziehungsweise zu Sterilisieren sind. Die Technik hat gegenüber traditionellen Ladekontakten aus Metall den Vorteil, dass keine Kontakte durch aggressive Reinigungs- bzw. Desinfektionsmittel beschädigt werden können. Es entstehen keine schwer erreichbaren Stellen, in denen sich Schmutz bzw. Keime ansammeln können.

Ein weiteres Gebiet sind Implantate (z.B. Hörgeräte), die mit Energie versorgt werden müssen.

Industrielle Anwendungen

Speziell für industrielle Anwendungen bietet kabellose Energieübertragung erhebliche Vorteile.

Einsatzgebiete in denen Geräte starker Verschmutzung oder aggressiven Flüssigkeiten ausgesetzt sind, werden durch kabellose Energieübertragung deutlich zuverlässiger und sicherer. Starke mechanische Belastungen von Kabeln können so vermieden werden. In nasser oder staubiger Umgebung können Geräte gänzlich gekapselt werden (keine offenen Ladekontakte). Dies erhöht deutlich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Der Anwendungsbereich reicht von batteriegetriebenen Werkzeugen bis zur Stromversorgung von z.B. Pumpen oder größeren Maschinen. Dies benötigt in der Zukunft sicherlich Spulenlösungen bzw. Leistungsklassen, die über die heute verfügbaren Standards hinausgehen.

In sicherheitsrelevanten Anwendungen, z.B. explosionsgefährdete Bereiche, kann kabellose Energieübertragung das Problem von Funkenbildung an Ladekontakten lösen. Die Risiken von unerwünschter elektrischer Leitung in nasser Umgebung werden vermieden.

Nicht zu vernachlässigen ist der weite Bereich elektrisch betriebener Spielzeuge. Fehlende Ladekontakte, Batteriefächer und Kabel erhöhen die Sicherheit für die Kinder.

Unbeabsichtigtes oder untersagtes Öffnen von Geräten kann durch komplettes Kapseln der Geräte unmöglich gemacht werden.

Möbel / Büro Restaurant Einrichtungen

a) Leistung bis 20W

 

Hier werden die kabellosen Lademöglichkeiten für Smartphones und Tablet in öffentlich zugänglichen Orten angeboten. Möbel in Büros, Hotels, Gaststätten, Flughäfen,… werden mit kabellosen Lademöglichkeiten für Konsumerendgeräte ausgestattet werden.

b) Leistung bis 2,5kW

 

Neben den Lösungen im Leistungsbereich <20W ergeben sich Möglichkeiten zur Integration von Leistungen bis 2,5kW im Küchenbereich. Geräte wie Toaster, Kaffeemaschinen, Mixer, Reiskocher und intelligente Töpfe und Pfannen können kabellos mit Energie versorgt werden. Das WPC erarbeitet für diesen Markt zur Zeit die Spezifikationen. Erste Produkte werden für 2014 erwartet.

Anwendung im Kraftfahrzeug

Im Kraftfahrzeug bietet sich für die Insassen ebenfalls die Möglichkeit zum Laden von Konsumerendgeräten an. Toyota biete z.B. schon eine Ausstattungsvariante mit QI Ladegerät ab Werk an (Avalon).

Speziell die Nutzungssituation von Konsumerendgeräten im Auto führt dort zu einem erhöhten Stromverbrauch. Zusätzlich zum Standardverbrauch wird Energie für die Bluetoothverbindung zur Freisprecheinrichtung gebraucht. Oftmals wird die Navigationsfunktion der Smartphones im Auto genutzt, die für Navigation und Anzeige im Display mehr Strom benötigt.

Dabei bietet die Fahrt im Kfz eine ideale Möglichkeit, die Zeit zum Laden des Smartphones zu nutzen. Hier biete das kabellose Laden eine sichere und bequeme Lösung an.

Neben der oben beschriebenen Möglichkeit des Ladens können durchaus weitere kabellose Energieübertragungen z.B. im Motorraum oder an Durchführungen im Kfz interessant sein.

 

Konsumerendgeräte Zubehör

Die Smartphones und Tablets bieten neben der Erstausrüstung durch den Hersteller vielfältige Möglichkeiten für Drittanbieter Ladestationen anzubieten.