Drahtlose Energieübertragung nicht nur für elektrische Maschinen

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Die Technik uniWP beeindruckt durch hohen Wirkungsgrad

Wenn das Resonanznetzwerk in der Frequenz bzw. Phase perfekt in Resonanz betrieben wird, dann ist die gesamte Übertragungsstrecke als reeller Transformator zu betrachten und ergibt automatisch eine optimale Anpassung, da nur die reelle Last zur Sendeeinheit transformiert wird. Genau das ist die Funktionsweise von uniWP.

Der Wirkungsgrad (ŋ) und das Oberwellenverhalten wird durch den Querstrom durch M und durch die Gesamtgüte (Qtot) bestimmt. Ist Qtot hoch, zirkuliert viel kinetische Energie im Resonanznetzwerk und resultiert in einem eher niedrigen Wirkungsgrad ŋ. Dafür ist die Unterdrückung der Harmonischen durch die höhere Filterselektion besser. Ist Qtot tief, zirkuliert wenig kinetische Energie im Resonanznetzwerk und führt zu einem eher hohen ŋ.

Dafür ist die Harmonischen-Unterdrückung durch die tiefere Filterselektion niedriger. Die Methode uniWP detektiert den Zustand der überkritischen Kopplung im Resonanznetzwerk und begrenzt den Betrieb auf maximal kritische Kopplung. Das Konzept wurde mit geregelter Ausgangsspannung auf der Empfängerseite verifiziert, ebenso mit Parallelgegentaktstufe auf der Sendeseite und mit einfachen Schleifenantennen.

Ein gängiger PLD-Baustein (mit PLD-Evaluationboard) beinhaltet die Blöcke aus Bild 3 ohne die Leistungskomponenten. Somit sind die Kosten gering und es wird größte Flexibilität durch einfaches Softwaredesign erreicht.

Durch die hohe Dynamik von uniWP mit Großsignal-Resonanzsteuerung lässt sich ein beliebiges Frequenzspektrum per Software bewirtschaften (Frequenzsynthesizer). In Bild 5 links (im Onlinebeitrag 42614529) sieht man das Ausgangsspektrum bei diskreter Frequenz (134 kHz) und rechts im Sweep-Betrieb (120 bis 134 kHz). Die spektrale Leistungsdichte durch Spreizung ergibt mit uniWP 10 dB weniger Störpegel bei gleicher Sendeleistung! Dadurch können EMV-Normen (EN300330) viel besser eingehalten werden. Da nur der Maximalpegel genormt ist, kann das System uniWP durch Sweepen mehr Energie übertragen.

Die wesentlichen Vorteile der beschriebenen drahtlosen Energieübertragung sind u.a. hoher Wirkungsgrad, kopplungsunabhängiger Betrieb mit Regelung für ständig maximale Energieübertragung, zuverlässig und fehlertolerant, regelbare Ausgangsleistung auf der Empfänger- und Senderseite (Datenübertragung), Empfang der Energie auch von mehreren Empfängern gleichzeitig, universelle Implementationsfreiheit, von kleinen bis hohen Leistungen skalierbar und nicht zuletzt Management der Frequenz zur beliebigen spektralen Positionierung der Übertragungsenergie (einschließlich Sweepbetrieb und/oder spektrale Spreizung der Übertragungsenergie, um EMV-Normen einzuhalten und mögliche negative Auswirkungen auf Lebewesen zu minimieren.)

Das vorgestellte Konzept erlaubt viele Möglichkeiten; für die Anwendung in der Praxis zeigen die Forschungsergebnisse, dass uniWP die Anforderungen erfüllt und bereit ist für eine Produktentwicklung.

* Markus Rehm ist Inhaber und Leiter des Ingenieurbüros IBR Rehm, Villingen-Schwenningen.

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