Drahtlose Energieübertragung nicht nur für elektrische Maschinen

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Gekoppelte Resonanzkreise wie Drahtverbindung?

In Bild 1 ist oben eine induktiv gekoppelte drahtlose Energieübertragungsstrecke mit je einem Streukompensationsnetzwerk dargestellt. Die Bilder 1 Mitte und unten zeigen ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Transformators in unterschiedlichen Resonanzkreis-Topologien zur Streukompensation. Je nach Beschaltung der Resonanzkreise ergibt sich ein unterschiedliches Verhalten der Güten (Qs) des Sekundärkreises. Es existieren vier Varianten, von denen zwei nachfolgend gezeigt werden. Die Nichtgezeigten verhalten sich ähnlich.

Je höher die Sekundärgüte Qs ist, desto mehr wird die Kopplung (K) kompensiert (Bild 2). Man unterscheidet zwischen unterkritische Kopplung (Kurve 1), kritische Kopplung (Kurve 2) und überkritische Kopplung (Kurve 3). Der Wirkungsgrad, also der Quotient Pout/Pin, erreicht für Kurve 2 in einem Frequenzbereich um die Resonanz den Wert eins, was einer Drahtverbindung entspricht. Erhöht man die Kopplung oder Qs weiter, so entstehen mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen (Kurve 3). Dieser Betrieb mit überkritischer Kopplung muss vermieden werden, denn sie erhöht die Störbandbreite sowie die Verluste und führt zur Zerstörung.

Die Technologie uniWP besteht aus mehreren Schichten. Die hier vorgestellte Leistungsübertragungschicht umfasst im wesentlichen die folgenden Teilblöcke (siehe Bild 3):

• Ein Großsignal-VCO ist Teil einer PLL. Mit uniWP arbeitet die Sendeeinheit in einer Frequenz bzw. Phasenschleife, die über den Resonanzkreis geschlossen ist. Wenn sich der Primär- oder Sekundärresonanzkreis verstimmt, oder wenn sich die Kopplungsbedingungen oder die Last der Sekundärseite ändern, dann wird die Resonanzfrequenz immer auf die gewünschte Spektralposition geregelt. Dieser neue lineare Ansatz zur Frequenzsteuerung hat ein Ansprechverhalten von einer halben Resonanzkreisperiode und ermöglicht die PLL innerhalb weniger Resonanzkreisperioden zu schließen. Dies resultiert in einem Ausgangsspektrum, welches die Genauigkeit einer beliebigen Referenzfrequenz aufweist.

• Ein Überkopplungsdetektor (det) im Sender und im Empfänger detektiert Überkopplung und reduziert die Last. Auf diese Weise können beliebige Lasteinheiten mit hohen bzw. niedrigeren Kopplungen und Sekundärgüten (Qs) flexibel dimensioniert werden. Der Überkopplungsdetektor der Lasteinheit spricht immer vor dem Überkopplungsdetektor in der Sendeeinheit an. Auf diese Weise entkoppeln sich immer zuerst die Lasteinheiten. Die Redundanz dieses Blocks in der Sendeeinheit gewährleistet einen Softstart und garantiert den Betrieb im Fehlerfall in der Lasteinheit oder auch, wenn die Lasteinheit keinen Überkopplungsdetektor enthält (Kompatibilität). Der Überkopplungsdetektor macht den uniWP-Kopplungsfaktor tolerant. Z.B. der Betrieb mit einem Empfänger mit hoher Sekundärgüte Qs für lose Kopplung wird im Fall einer Überkopplung auf kritische Kopplung begrenzt.

• Ein Lastfilter agiert als Energiespeicher und entkoppelt den gekoppelten Resonanzkreis von schnellen Lastwechseln. Dies minimiert auch spektrale Störungen.

• Ein Kommunikationsmittel ist verantwortlich für die Leistungsregelung; die funktionsweise ist ähnlich wie in den bekannten Ansätzen.

Die Lösung uniWP für erweiterte Anwendungen

Es ist leicht zu erkennen, dass der uniWP-Ansatz große Flexibilität aufweist,da es nur wenige wesentliche Blöcke gibt. Eine Implementation kann beliebig auf viele verschiedene Anforderungen ausgewählt bzw. optimiert werden:

• Ein kleiner K-Faktor lässt sich mit höheren Qs im Empfänger kompensieren.

• Der Lastcontroller kann Teil einer nachgeschalteten Zusatzregelung sein (schnellste Lastausregelung) oder er enthält im einfachsten Fall einen Lastschalter. Alle vier möglichen Kopplungstopologien können beliebig kombiniert werden.

In der Praxis sind zur Implementierung zwei Schalter (Q1a & Q1b) erforderlich, je einer pro Halbwelle. Das Blockschaltbild in Bild 4 zeigt eine universelle Schalterkopplungssteuerung für eine gesteuerte Großsignal-Kapazität. Als Schalter fungieren MOSFETs oder IGBTs. Der lineare Betrieb wird durch einen Nullpunkt-Spannungsdetektor (V-Sense, Sign Detect) gewährleistet, somit bleibt der über den Steuereingang (Control) eingestellte Kondensatorwert Ctot_(control) unabhängig von der Schwingkreisamplitude. Zusätzlich werden mit einer Phasenvordrehung die Gesamtlaufzeit und die Schalterverzögerungen kompensiert, sodass die Funktion auch im HF Bereich einsetzbar bleibt. Durch die PWM-Triggerung mit dem Nullpunkt der Schwingkreisspannung wird die kürzest mögliche Sprungantwort in Ctot_(control) von einer halben Schwingkreisperiode erreicht.

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