Wie sich Wireless Power messtechnisch analysieren lässt

| Autor / Redakteur: Florian Hämmerle * / Hendrik Härter

Elektronische Geräte lassen sich komfortabel über das System der magnetischen Kopplung aufladen.
Elektronische Geräte lassen sich komfortabel über das System der magnetischen Kopplung aufladen. (Bild: Würth Elektronik)

Elektronische Geräte drahtlos aufzuladen ist vielversprechend. Grundlage ist die magnetische Kopplung. Wir haben uns das Prinzip aus Sicht der Messtechnik genauer angeschaut.

Die induktiv gekoppelte, drahtlose Energieübertragung wird in den sogenannten Wireless-Power-Systemen eingesetzt. Das Prinzip des Wireless Power Transfer, kurz WPT, ist keine neue Idee.

Bereits um 1890 experimentierte Nikola Tesla mit induktiv gekoppelten Systemen mit dem Ziel, Energie zu übertragen. Damals verfolgte er die visionäre Idee, die gesamte Erde mit einem Magnetfeld zu versehen, sodass an jedem Punkt der Erde drahtlos elektrische Energie bezogen werden kann. Das Projekt wurde unter anderem aufgrund fehlender Finanzmittel stillgelegt. Mit dem heutigen Siegeszug der Mobiltelefone und dem Beginn der Elektromobilität ist auch das Thema Wireless Power wieder aktuell geworden.

Die Technik der drahtlosen Energieübertragung hat sich seit mehr als 100 Jahren nicht grundlegend verändert und basiert auf der magnetischen Kopplung einer Senderspule mit einer Empfängerspule. Elektrische Energie wird über ein Magnetfeld vom Sender zum Empfänger übertragen. Als Maß für die magnetische Kopplung zweier Spulen dient der Kopplungsfaktor k. Der Kopplungsfaktor beschreibt, wie viel vom magnetischen Fluss der Senderspule die Empfängerspule durchdringt.

Der Rest des Magnetfeldes der Sendespule wird als Streufeld bezeichnet. Das Streufeld ist zwar unerwünscht, lässt sich aber bei der drahtlosen Energieübertragung nicht vermeiden. Ein ferromagnetischer Schirm auf der Unterseite des Senders und der Oberseite des Empfängers lenkt das Magnetfeld und reduziert das Streufeld. Dadurch wird der Kopplungsfaktor optimiert. Würden die Spulen mit ferromagnetischem Schirm ohne Abstand direkt aufeinandergelegt werden, wäre der Kopplungsfaktor nahe eins.

Das widerspricht jedoch dem Gedanken einer einfach anwendbaren drahtlosen Energieübertragung, die eine gewisse Freiheit in der Positionierung voraussetzt. Umso größer der Abstand und Versatz von Sender und Empfänger, umso kleiner wird die Kopplung. Bei reduzierter Kopplung steigen die Verluste, da für eine konstante Leistungsübertragung der Magnetisierungsstrom in der Sendespule stark erhöht werden muss.

Optimierter Wirkungsgrad in resonant gekoppelten Systemen

Eine praktisch anwendbare drahtlose Energieübertragung muss auch bei geringer Kopplung mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad funktionieren. Um die Verluste bei geringer Kopplung zu reduzieren, wird anstelle der einfachen magnetischen Kopplung die resonante Kopplung angewendet. Dabei werden sowohl die Sendespule als auch die Empfängerspule als Resonanzschwingkreis ausgeführt.

Die Resonanzfrequenz der beiden Kreise wird aufeinander abgestimmt, sodass eine möglichst einfache Energieübertragung zwischen den zwei Kreisen stattfinden kann. Dadurch wird die Blindleistungsaufnahme vom Sender reduziert, da der Schwingkreis die reaktiven Elemente kompensiert. Ein möglichst hoher Wirkungsgrad ist Grundvoraussetzung. Neben dem ökologischen Aspekt ist ein hoher Wirkungsgrad aus EMV-Sicht sinnvoll. Geringe Verluste bedeuten, dass die Energie ans Ziel gelangt und nicht in andere Systeme eingekoppelt wird. Detaillierte mathematische Analysen von resonant induktiv gekoppelten Systemen zeigen, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung primär von folgenden Parametern abhängt:

  • Kopplungsfaktor k,
  • Güte des Senderesonanzkreises Q1 und
  • Güte des Empfängerresonanzkreises Q2.

Inhalt des Artikels:

  • Seite 1: Wie sich Wireless Power messtechnisch analysieren lässt
  • Seite 2: Vom Wirkungsgrad
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