Drahtlose Energieübertragung: Trends, Innovationen und Lösungen für Elektroingenieure

Fortschritte in der kabellosen Energieversorgung stellen neue Herausforderungen an Konstrukteure

Beim Umstieg von fossilen Brennstoffen auf Elektroenergie ist die Speicherung und Übertragung von Strom eines der kritischen Themen: Batterien haben eine begrenzte Kapazität und sind sehr schwer, und das gute alte Kabel ist für mobile Anwendungen nicht wirklich geeignet. Wäre es nicht eine tolle Idee, elektrische Energie kabellos zu übertragen, so wie wir bereits Mobiltelefone auf einem Ladepad aufladen, ohne ein Kabel einstecken zu müssen?

Die Übertragung von elektrischer Energie ist im Prinzip kein Hexenwerk: Anstelle von Kabelverbindungen nutzt Wireless Power Transfer (WPT) elektromagnetische Felder für die Übertragung von elektrischer Energie zwischen Versorgern und Verbrauchern. Sie ist besonders nützlich für Anwendungen, bei denen Kabel unpraktisch sind, vor allem bei Elektrofahrzeugen, aber auch bei medizinischen Implantaten oder Fernsensoren. Daher entwickelt sich die drahtlose Energieübertragung (WPT) schnell von einer futuristischen Idee zu einer weit verbreiteten Technologie. Es überrascht daher nicht, dass der weltweite Markt für drahtlose Energieübertragung ein außergewöhnliches Wachstumspotenzial aufweist: Es wird erwartet, dass er jährlich um mehr als 25 % wächst und von 18,3 Mrd. USD im Jahr 2023 auf 149,6 Mrd. USD im Jahr 2032 ansteigt.

Senden und Empfangen: So funktioniert die kabellose Energieversorgung

Unter kabelloser Enegrieversorgung (Wireless Power Transfer, WPT) versteht man die Übertragung elektrischer Energie von einer Stromquelle zu einem Verbraucher, ohne dass physische Kabel verwendet werden. WPT-Systeme bestehen aus zwei Komponenten: einem Sender und einem Empfänger. Der Sender wandelt elektrische Energie in ein elektromagnetisches Feld um, während der Empfänger dieses Feld auffängt und es wieder in elektrische Energie umwandelt, um das Gerät mit Strom zu versorgen.

Es gibt verschiedene Methoden der drahtlosen Energieübertragung, die jeweils besondere Merkmale aufweisen und sich daher für verschiedene Anwendungen eignen: Die am weitesten verbreitete Methode, die induktive Energieübertragung (IPT), beruht auf Magnetfeldern, mit denen Energie über kurze Entfernungen übertragen werden kann, wie es bei Qi-Ladepads üblich ist. Die induktive Resonanzkopplung baut auf IPT auf, verwendet aber Resonanzkreise, um die Reichweite und Effizienz zu erhöhen. Sie wird häufig beim Laden von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die kapazitive Energieübertragung (CPT) nutzt elektrische Felder für kompakte Hochfrequenzanwendungen wie medizinische Implantate. Die auf Funkfrequenzen basierende RF-Übertragung überträgt geringe Energie über größere Entfernungen und eignet sich damit besonders für Sensoren und RFID-Etiketten.

Auf dem Vormarsch in vielen Bereichen

Technologien zur drahtlosen Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) sind in vielen verschiedenen Branchen auf dem Vormarsch, z. B. in Elektrofahrzeugen, im Gesundheitswesen, in der Unterhaltungselektronik und in der Industrieautomation. In der Unterhaltungselektronik ist WPT bereits ein Standardmerkmal in in Möbeln eingebetteten Sendern und Ladepads für mehrere Geräte, Smartphones, Wearables und IoT-Geräte; Im Gesundheitswesen wird WPT zur Versorgung implantierbarer medizinischer Geräte wie Herzschrittmacher eingesetzt und macht damit unabhängiger von Batterien und chirurgischen Eingriffen; in der Industrieautomation steigert WPT die Effizienz durch die kabellose Versorgung von Maschinen und Robotersystemen; und die Automobilindustrie führt das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen unter Verwendung von Resonanzkopplung und dynamischen Systemen ein und prägt damit Standards wie SAE J2954.

Technologische Fortschritte und weiterer Forschungsbedarf

Die rasche Verbreitung der drahtlosen Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) wird durch Fortschritte in verschiedenen Bereichen begünstigt, aber es sind noch größere Fortschritte nötig, um eine breite Einführung zu ermöglichen.

Der Wirkungsgrad der Systeme konnte durch die Entwicklung von Spulen, Materialien und Leistungselektronik erheblich gesteigert werden. Mehrfachspulen und Hochfrequenz-Leistungswandler verringern den Energieverlust und ermöglichen eine effektivere Energieübertragung über größere Entfernungen, was für energieempfindliche Anwendungen wie das Aufladen von Fahrzeugen und medizinische Geräte von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus ermöglichen Innovationen in der Energieumwandlungstechnologie, insbesondere bei Halbleitern mit breiter Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), höhere Schaltgeschwindigkeiten, höhere Spannungen und kompaktere, effizientere Designs. Diese Entwicklungen sind besonders wertvoll für Hochleistungssysteme wie das Laden von Elektrofahrzeugen und für erneuerbare Energien, bei denen eine Maximierung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads im Vordergrund steht.

Eine große Herausforderung ist der Leistungsverlust bei der Übertragung, insbesondere über große Entfernungen. Dies erfordert den Einsatz effizienter Gleichrichter und ein wirksames Wärmemanagement, um einen Wärmestau zu verhindern. Auch die Interoperabilität ist nach wie vor ein zentrales Anliegen, weshalb die Übernahme von Standards wie Qi und SAE J2954 von entscheidender Bedeutung sein wird, auch wenn länderspezifische Leistungsanforderungen und proprietäre Technologien den Prozess erschweren. Elektroingenieure spielen eine Schlüsselrolle bei der Lösung kritischer Fragen in den Beriechen Energieeffizienz, Interferenzen und funktionale Sicherheit. Als Partner der globalen Elektronikindustrie bietet Zuken leistungsfähige Konstruktions- und Analysewerkzeuge, die Ingenieuren helfen, diese Herausforderungen zu meistern.

Die Herausforderungen mit Lösungen von Zuken meistern

Zuken bietet eine ganze Reihe von Lösungen für die Entwicklung von Wireless Power Transfer (WPT)-Systemen. Diese Tools helfen Ingenieuren bei der Entwicklung, Simulation und Validierung komplexer Systeme. Dies beginnt bei der GENESYS-Plattform, die einen modellbasierten Systementwicklungsansatz (MBSE) zur Optimierung von WPT-Architekturen hinsichtlich Leistung und Sicherheit bietet. Die PCB-Design-Suite CR-8000 bietet fortschrittliche Engineering-Tools zur Beherrschung von Resonanzkreisläufen, Hochfrequenzkomponenten und EMV. Darüber hinaus bietet sie 3D-Design- und Datenmanagementfunktionen für die gemeinsame Arbeit in interdisziplinären Entwicklungsteams. E3.series ist die Lösung für das elektrische Design, die Dokumentation und die Produktion der entsprechenden Verdrahtungssysteme und die Einhaltung von Industrienormen. Mit diesen Instrumenten und der Unterstützung durch die Beratungsleistungen der Zuken-Experten hilft Zuken Ingenieuren, die Herausforderungen des Designs und der Entwicklung von WPT-Systemen zu meistern.

Weitere Informationen

Erfahren Sie, wie die Tools von Zuken Sie bei der Entwicklung der nächsten Generation von drahtlosen Energielösungen unterstützen können. Laden Sie unsere neuesten Whitepaper herunter, melden Sie sich für eine kostenlose Demo an oder sehen Sie sich unsere On-Demand-Webinare an, um mehr zu erfahren.