Drahtlose Energieübertragung:
Wie funktioniert induktives Laden und welche Vorteile bietet der Prozess?

Power ohne Steckdose. Drahtlose Energieübertragung oder Wireless Power Transmission (WPT) kann mit Laser oder Licht erfolgen, aber auch elektromagnetisch. Weit verbreitet ist die induktive Energieübertragung zum Laden von Akkus elektrischer Geräte. Die Methode kommt aber vermehrt auch bei fahrerlosen Transportsystemen (FTS) zum Einsatz. Sie hat deutliche Vorteile gegenüber anderen Ladeprozessen.

Tesla als Wegbereiter der drahtlosen Energieübertragung

Wenn es um kontaktlose Übertragung elektrischer Energie geht, ist Nikola Tesla als bahnbrechender Erfinder zu nennen. Er gilt als Entwickler des Wechselstroms. Der Physiker und Elektroingenieur entwickelte einen Wechselstromgenerator und nutzte ihn zur Fernübertragung elektrischer Energie. Er beschäftigte sich mit der Erzeugung von hochfrequentem Wechselstrom und meldete zahlreiche Patente an. Nach seinem Tod 1943 ehrte ihn das Internationale Komitee für Maß und Gewicht. So heißt seit 1960 die physikalische Einheit für die magnetische Flussdichte Tesla.

Wie funktioniert induktive Energieübertragung?

Bei der drahtlosen Übertragung, oder auch als induktives Laden bekannt, erzeugt eine Sendeeinheit ein elektrisches Magnetfeld. Dieses entsteht, wenn Wechselstrom durch die Spule dieser Ladestation fließt. Über dieses Magnetfeld wird Energie von der Spule des Energiesenders drahtlos zur Spule des Energieempfängers transportiert.

Der Prozess beruht auf dem Prinzip der Induktion. Durch ein sich veränderndes magnetische Feld wird in einem nahen Leiter Spannung induziert und damit elektrischer Strom erzeugt. Die beiden Spulen berühren sich dabei nicht. Sie sind wenige Millimeter bis einige Zentimeter voneinander entfernt.

Anwendungsbeispiel FTS: Moderne Flurförderzeuge sind überwiegend mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet. Diese müssen nach einer gewissen Einsatzzeit geladen werden. Der Vorgang lässt sich mit ausgereiften induktiven Ladekonzepten effizient und vollautomatisch durchführen. Fährt ein FTS oder ein autonomer mobiler Roboter (AMR) mit einer Empfängerspule in das Magnetfeld der Sendespule, startet der Ladeprozess.

zum FAQ

Vorteile der induktiven Übertagung im Nahfeld

Moderne Leistungselektronik

Hohe Effizienz durch moderne Leistungselektronik

Das induktive Verfahren der drahtlosen Energieübertragung (wireless power transfer) spielt vor allem im Bereich zwischen 5 Watt bis hin zu mehreren Kilowatt seine Überlegenheit aus. Perfekt geeignet ist die Technik, um einen Luftspalt von bis zu zehn Zentimetern zu überbrücken.

In der Vergangenheit wurden Silizium-Halbleiter für den Stromtransport eingesetzt. Seit einigen Jahren werden effizientere Halbleiter verwendet, sogenannte MOSFETS (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Die Leistungselektronik bietet damit optimale Voraussetzungen für Wireless Charging. Energieverluste lassen sich deutlich reduzieren. In dem für die Energieübertragung notwendigen hochfrequenten Bereich sind diese Halbleiter optimal funktionsfähig.

Somit erzielt die Leistungselektronik in Verbindung mit den magnetischen Komponenten einen sehr guten Wirkungsgrad von über 90 Prozent.

Positionierungstoleranz

Mehr Flexibilität durch hohe Positionierungstoleranz

Die hohe Effizienz der Leistungselektronik ermöglicht auch eine maximale Flexibilität in Anwendungen. Sender und Empfänger müssen nicht millimetergenau voreinander positioniert werden, um den Ladevorgang zu ermöglichen.

Generell wird eine möglichst gute Kopplung zwischen den beiden Spulen angestrebt. Erzeugt die Sendespule nur ein geringes Streufeld, lässt sich die Energie effizient übertragen. Deshalb wird die Nahfeldübertragung selbst bei künftig eventuell deutlich verbesserten Halbleitern gegenüber der Fernfeldübertragung im Vorteil sein. Die drahtlose Energieübertragung erfolgt nämlich stets fokussiert, bei optimalem Wirkungsgrad

Hoher Wirkungsgrad

Drahtlose Energieübertragung mit hohem Wirkungsgrad

Hohe Wirkungsgrade bei der drahtlosen Energieübertragung lassen sich nur durch eine effiziente Leistungselektronik in Kombination mit intelligenter Software realisieren. Als Beispiel ist die etaLINK Technologie von Wiferion zu nennen. Sie zeichnet sich durch eine optimale Betriebsführung, Regelung und Steuerung des Ladevorgangs aus.

In mehreren Schritten wandelt die Leistungselektronik Spannung und Strom vom Netz und von der Batterie um. Die Kunst ist, in diesem Verfahren die optimalen Betriebspunkte in jeder Umwandlungsstufe zu definieren.

Mehr Effizienz durch induktives Laden

Vom Stromnetz zu Beginn bis zum Verbraucher sind fünf Umwandlungsschritte nötig. Wiferion hat sich bei der Entwicklung des induktiven Ladesystems nicht nur auf die elektromagnetische Übertragung konzentriert. Im Fokus standen alle Umwandlungsschritte, um so einen höchst effizienten Prozess zu gewährleisten. Das Ergebnis ist ein Wirkungsgrad von 93 Prozent.

Zu welchem Zeitpunkt initiiert man einen Schaltmoment?
In welchem Betriebsbereich erfolgt der gesamte Vorgang?
Wie stimmt man die einzelnen Komponenten der Systeme ideal aufeinander ab?

Diese und weitere Fragen löst Wiferion mit der selbstentwickelten Leistungselektronik-Software. Es gilt, die thermischen Verluste in dem gesamten Ladeprozess auf ein Minimum zu reduzieren. So führt die drahtlose Energieübertragung zu einem Maximum der Wirtschaftlichkeit.

Ladekonzepte müssen die Anforderungen der Industrie optimal erfüllen

Wiferion stellt die Bedürfnisse des Kunden in den Mittelpunkt der Ladekonzepte. Anwender wollen ihre Fahrzeuge problemlos und ohne großen Aufwand laden können. Darüber hinaus müssen die Schnittstellen zum Fahrzeug und Stromnetz so gestaltet sein, dass eine einfache und intuitive elektrische Anbindung gelingt.

Bei dem etaLINK-System, welches eine drahtlose Energieübertragung ermöglicht, beginnt der Ladevorgang, sobald das Fahrzeug auf oder neben der Ladestation steht. Dabei kann der Abstand von Ladepad und Empfangseinheit im Fahrzeug bis zu sieben Zentimeter betragen. Die Fahrzeuge müssen dabei nicht zu festen Batterieladestationen fahren und in Pausen oder nach Schichtende laden. Stattdessen ermöglicht die Lösung ein Zwischenladen (In-Process-Charging) während des Produktionsprozesses. So lassen sich, durch drahtlose Energieübertragung, vollautomatische Ladeprozesse und höhere Fahrzeugverfügbarkeiten realisieren.

etaLink Lösungen

Drahtlose Energieübertragung für Autos

Auch bei der drahtlosen Energieübertragung von hohen Leistungen bei E-Autos sind Sender- und Empfängereinheiten nötig. Diese unterscheiden sich aber in technischen Details von den Systemen und der Elektronik im Industriebereich.

Ein großer Unterschied besteht in der vorhandenen Spannung. Während in Industrieprozessen 24 bis 80 Volt üblich sind, haben Akkus von Elektrofahrzeugen einen Nennspannung von 400 bis 800 V. Um die gleiche Leistung zu übertragen, ist im Industriebereich somit ein deutlich höherer Stromfluss nötig.

In der Industrie dagegen hält die wireless power transfer systems unaufhaltsam Einzug in die Produktionshallen. Denn nur so lassen sich FTS vollautomatisch und kabellos laden. Nur durch „In-Process-Charging“ an häufig frequentierten Punkten kann ein Dauereinsatz der Fahrzeuge gelingen.

Praxisreport: Energieversorgung

Warum sind induktive Ladelösungen derzeit noch nicht flächendeckend im Automobilbereich im Einsatz?

Zwei Voraussetzungen sind nötig, damit die drahtlose Energieübertragung in der Automobilbereich flächendeckend eingesetzt werden kann:

Die Stückzahl an E-Autos muss signifikant steigen.
Die Integration in die Infrastruktur muss verbessert werden.

Im Industriebereich sind die Ladestationen idealerweise nicht abseits installiert, sondern an geeigneten Standorten im Produktionsprozess. Das lässt sich 1:1 auf den Verkehr und die Fahrzeugbranche übertragen. Es wäre sinnvoll, die Ladepunkte an Parkplätzen, Ampeln oder Taxiständen zu installieren. Das sind alles häufig frequentierte Punkte.

Allerdings sind im öffentlichen Bereich noch weitere Aspekte zu berücksichtigen, bevor induktive Ladesysteme flächendeckend genutzt werden können. So wären beispielsweise besondere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. In-Process-Charging hat aber das Potenzial, künftig auch im öffentlichen Verkehrsbereich an Bedeutung zu gewinnen. Vor allem, wenn man berücksichtigt, dass in naher Zukunft auch autonome Elektroautos auf der Straße unterwegs sein werden.

„In-Process-Charging ist für uns ein wichtiger Aspekt, wenn es darum geht, die Effizienz unserer SOTO-Roboter weiter zu steigern. Die Kontaktlosen etaLink Batteriesysteme von Wiferion lassen sich einfach und schnell in jedes Layout implementieren und benötigen keine aufwendige Infrastruktur.“ – Kai Franke, Head of Hardware Development, Magazino

mehr zu In-Process-Charging

Wireless Charging und Datentransfer

Lassen sich auch Daten über ein Magnetfeld übertragen? Prinzipiell ja. Beispielsweise nutzt Wiferion das induktive Punktladesystem, um Daten wie Energielevel, Betriebszeiten und Fahrzeugzustände in Echtzeit abzurufen. Die Kommunikationsschnittstelle kann für jeglichen Datentransfer zwischen Fahrzeug und stationärer Elektronik genutzt werden. Energie und Daten nehmen grundsätzlich den gleichen Weg, aber in unterschiedlichen Kanälen. So lassen sich verschiedene Kommunikationstechnologien in einem Gerät integrieren.

Allerdings muss erst ein gesetzlicher Rahmen geschaffen werden, damit über den industriellen Bereich hinaus ein Datentransfer stattfinden kann. Denn ein großes Hindernis stellen da noch die unterschiedlichen Bestimmungen und Normen für Funkbereich und Elektronik dar