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.
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.
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.