Energie · Elektrotechnik

Wireless Power Transfer (WPT)

Drahtlose Energieübertragung transportiert elektrische Leistung ohne leitende Kabelverbindung. Je nach Abstand und Anwendung kommen Induktion, magnetische Resonanz, elektrische Felder oder elektromagnetische Wellen zum Einsatz.

Kabelloses Laden eines Mobilgeräts als Beispiel für Wireless Power Transfer bei IT Wissen

Kurz erklärt

  • WPT überträgt Energie ohne elektrische Steckverbindung zwischen Sender und Empfänger.
  • Nahfeldverfahren arbeiten überwiegend mit induktiver, resonanter oder kapazitiver Kopplung.
  • Fernfeldverfahren nutzen Funkwellen, Infrarotlicht oder gerichtete Lichtquellen.
  • Reichweite, Ausrichtung, Leistung und Wirkungsgrad hängen stark vom jeweiligen Verfahren ab.

Was ist Wireless Power Transfer?

Elektrische Energie wird üblicherweise über Kabel und Leiter übertragen. Wireless Power Transfer, kurz WPT, ersetzt diese leitende Verbindung durch eine Kopplung über magnetische oder elektrische Felder beziehungsweise durch elektromagnetische Strahlung. Der Begriff umfasst sowohl Wireless Charging über kurze Distanzen als auch Verfahren für größere Entfernungen.

Die Konzepte lassen sich grob in Nahfeld- und Fernfeldübertragung einteilen. Im Nahfeld kommen magnetische Induktion, magnetische Resonanz und kapazitive Felder zum Einsatz. Fernfeldsysteme übertragen Energie über Funkfrequenzen in ISM-Bändern, über Infrarotlicht oder über gerichtetes Laserlicht.

Spulen und elektronische Bauteile zur Veranschaulichung induktiver Energieübertragung
Sender- und Empfängerschaltungen bereiten die Energie für die berührungslose Übertragung auf.

Induktive Kopplung im Nahfeld

Bei der induktiven Kopplung erzeugt ein Wechselstrom in der Primärspule des Senders ein veränderliches Magnetfeld. Dieses Feld induziert in der Sekundärspule des Empfängers eine Spannung. Der Sender wird auch als Power Transmitting Unit (PTU), der Empfänger als Power Receiving Unit (PRU) bezeichnet.

Die übertragbare Leistung und der Wirkungsgrad hängen vom Abstand, von der Ausrichtung der Spulen, vom Kopplungsfaktor und von ihrer elektrischen Güte ab. Sinkt die Kopplung, nimmt auch die nutzbare Energie deutlich ab. Deshalb liegen Mobilgeräte beim Laden meist unmittelbar auf einer Ladefläche mit integrierter Flachspule.

Typische Anwendungen sind elektrische Zahnbürsten, RFID-Systeme, Wearables und Smartphones. Geräte benötigen dazu eine geeignete Empfangsspule sowie Elektronik zur Gleichrichtung und Laderegelung.

Magnetische Resonanz und kapazitive Kopplung

Resonante Systeme stimmen Sender und Empfänger aufeinander ab. Dadurch kann Energie auch bei schwächerer Kopplung oder geringfügig größerem Abstand übertragen werden. Konzepte wie WiTricity und Wireless Resonant Energy Link beruhen auf diesem Prinzip.

Die kapazitive Übertragung nutzt ein quasistatisches elektrisches Feld. Koppelplatten in Sender und Empfänger bilden gemeinsam einen Kondensator. Das Verfahren erfordert geringe Abstände und eine geeignete Geometrie der Elektroden.

Drahtloses Laden von Elektrofahrzeugen

Auch Elektrofahrzeuge können induktiv geladen werden. Eine Primärspule befindet sich in oder auf dem Boden, die Sekundärspule unter dem Fahrzeug. Nach korrekter Positionierung überträgt das Magnetfeld die Energie zur Fahrzeugelektronik und weiter zur Batterie.

Ein kleiner Luftspalt und eine präzise Ausrichtung unterstützen eine effiziente Übertragung. Zugleich müssen Fremdkörpererkennung, Kommunikation und Leistungsregelung berücksichtigt werden. Der Standard SAE J2954 beschreibt technische Rahmenbedingungen für das drahtlose Laden leichter Elektrofahrzeuge. Gegenüber einem Ladekabel bietet das Verfahren mehr Komfort, verursacht durch die zusätzlichen Wandlungsstufen jedoch Verluste.

Elektrofahrzeug an einer Ladeposition als Anwendung drahtloser Energieübertragung
Bei Fahrzeugen liegen Sendeeinheit und Empfangsspule durch einen Luftspalt getrennt übereinander.

Energieübertragung über Funkwellen

Bei der HF-Übertragung empfängt eine Antenne hochfrequente elektromagnetische Wellen. Eine Gleichrichterschaltung wandelt deren Energie in eine nutzbare Gleichspannung um. Die verfügbare Leistung hängt von Sendestärke, Entfernung, Antennengewinn, Ausrichtung und regulatorischen Grenzwerten ab.

Eine Variante nutzt die Rückstreuung vorhandener Funksignale. Die gewonnenen Leistungen sind gering, können aber für sparsame Sensoren oder Geräte im Internet der Dinge ausreichen. Mit wachsender Entfernung sinkt die Leistungsdichte, weshalb Fernfeldsysteme nicht dieselben Leistungen wie eng gekoppelte Ladesysteme bereitstellen.

Optische Verfahren

Optische WPT-Systeme richten Infrarot- oder Laserlicht auf einen Empfänger, der die Strahlungsenergie über eine geeignete Zelle in elektrische Energie umwandelt. Solche Konzepte ermöglichen eine gerichtete Übertragung über mehrere Meter, benötigen aber freie Sicht, Sicherheitsmechanismen und eine genaue Ausrichtung. Abschattung unterbricht den Energiefluss.

Vorteile und technische Grenzen

Der wichtigste Vorteil ist der Verzicht auf offene Kontakte und Steckverbindungen. Geräte können vollständig gekapselt und damit besser gegen Staub oder Feuchtigkeit geschützt werden. Automatisierte Systeme lassen sich laden, ohne dass eine Person ein Kabel anschließen muss.

Dem stehen Umwandlungsverluste, zusätzliche Elektronik und Anforderungen an Positionierung und Feldkontrolle gegenüber. Außerdem können metallische Fremdkörper erwärmt werden. Eine Kommunikation zwischen Sender und Endgerät regelt deshalb Leistung, erkennt Fehlerzustände und beendet die Übertragung, wenn kein geeigneter Empfänger vorhanden ist.

Die Übertragungsverfahren im Überblick

Die passende Technik ergibt sich aus Leistung, Abstand, Bewegungsfreiheit, Bauform und den Anforderungen an Sicherheit und Wirkungsgrad.

01 · NAHFELD

Induktiv

Eng gekoppelte Spulen übertragen Energie über ein wechselndes Magnetfeld. Kurzer Abstand und gute Ausrichtung sind entscheidend.

02 · NAHFELD

Resonant

Abgestimmte Schwingkreise verbessern die Übertragung bei schwächerer Kopplung und bieten mehr räumliche Toleranz.

03 · NAHFELD

Kapazitiv

Elektrische Felder koppeln über gegenüberliegende Platten. Das Verfahren eignet sich vor allem für geringe Distanzen.

04 · FERNFELD

Funk oder Licht

Antennen oder optische Empfänger gewinnen Energie aus gerichteter Strahlung. Die Leistung nimmt mit der Entfernung ab.

Was bei der Auswahl zählt

Wireless Power Transfer ist kein einzelnes Verfahren. Jede Umsetzung gewichtet Komfort, Effizienz und Reichweite anders.

Geeignete Einsatzbedingungen

  • Regelmäßig wiederkehrende oder automatisierte Ladevorgänge
  • Gekapselte Geräte ohne offene Kontakte
  • Kurze, kontrollierte Abstände zwischen Sender und Empfänger
  • Sensoren mit sehr geringem Energiebedarf

Zu prüfende Anforderungen

  • Ausrichtung und zulässiger Luftspalt
  • Elektrischer Gesamtwirkungsgrad
  • Erwärmung und Fremdkörpererkennung
  • Elektromagnetische Verträglichkeit und Regelung

Häufige Fragen zu WPT

Kompakte Antworten zu Funktionsweise, Reichweite und Anwendung.

Was bedeutet die Abkürzung WPT?

WPT steht für Wireless Power Transfer, auf Deutsch drahtlose Energieübertragung.

Wie funktioniert induktives Laden?

Eine Sendespule erzeugt ein wechselndes Magnetfeld. Dieses induziert in einer nahe gelegenen Empfangsspule eine Spannung, die anschließend gleichgerichtet und zum Laden genutzt wird.

Warum muss ein Gerät auf der Ladefläche ausgerichtet sein?

Die magnetische Kopplung ist am stärksten, wenn Sende- und Empfangsspule passend übereinanderliegen. Seitlicher Versatz und ein größerer Abstand reduzieren die übertragbare Leistung.

Ist resonantes Laden dasselbe wie induktives Laden?

Beide Verfahren nutzen magnetische Felder. Resonante Systeme stimmen die elektrischen Schwingkreise von Sender und Empfänger aufeinander ab und tolerieren dadurch häufig eine schwächere Kopplung.

Kann WPT Elektrofahrzeuge laden?

Ja. Eine Bodenspule überträgt Energie an eine Empfangsspule unter dem Fahrzeug. Positionierung, Kommunikation und Sicherheitssysteme sind dabei wesentliche Bestandteile.

Welche Nachteile hat drahtlose Energieübertragung?

Zusätzliche Umwandlungsstufen verursachen Verluste. Je nach System kommen Anforderungen an Ausrichtung, Bauraum, Kühlung, Fremdkörpererkennung und elektromagnetische Verträglichkeit hinzu.