Advanced System Engineering

Drahtlose Energieversorgung

© Foto Fraunhofer ENAS

Flexible Antenne-Matrix für drahtlose Energieübertragung

© Foto Fraunhofer ENAS

Nahfeld-Messung des magnetischen Feldes in einer Antennen-Matrix

Im Bereich der drahtlosen Kommunikation existieren unterschiedlichste, bereits etablierte Schnittstellen, die die globale Strategie des Internets der Dinge unterstützen. Bei modernen elektronischen Geräten zeichnet sich ein wachsender Bedarf hinsichtlich drahtloser Energieversorgung für die intelligenten Systeme mit eingebetteten Sensoren und Antrieben ab. Die Energieversorgung neuester transportabler Geräte in den Bereichen Medizin (wie z.B. Implantate), industrieller Produktion oder Consumer Elektronik (z.B. Smartphones), die auf einer verdrahteten Energieversorgung oder chemischen Energiespeichern (wie Batterien) basieren, bedürfen regelmäßiger Wartung und zyklischem Austausch oder Aufladung. Daher liegt der größte Vorteil der drahtlosen Energieversorgung in der Fähigkeit der freien Positionierung im Raum, bei der komplizierte Verkabelung und galvanische Kontakte vermieden werden. Mit der Möglichkeit der hermetischen Abschottung der Systeme bietet die kontaktlose Energieübertragung einen weiteren Vorteil, da sie von ungewünschten externen Einflüssen isoliert werden (z.B. von Staub, Feuchtigkeit, Hitze, etc.).

Für die drahtlose Energieübertragung existieren bereits diverse praktikable Methoden, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Im Fall der Nahfeld-Übertragung werden induktive und kapazitive Kopplungen empfohlen. Für größere Reichweiten kann die Energieübertragung mittels sich elektromagnetisch-ausbreitender Wellen erfolgen. Bei den klassischen induktiven Übertragungstechniken werden gewickelte Spulen und ferromagnetischen Materialien genutzt, um das magnetische Feld vom Sender zum Empfänger zu leiten. Derartige Designs arbeiten mit niedrigen Frequenzen, die üblicherweise zu unhandlichen und groben Strukturen führen, was deren Integration in Oberflächen oder limitierten Bauräume einschränkt. Eine platzsparende Integration hingegen wird erreicht, indem höhere Frequenzen genutzt werden. Dies erlaubt den Einsatz konventioneller Leiterplatten für das Antennendesign. Des Weiteren bieten höheren Frequenzen die Möglichkeit zur optimierten Effizienz in Kombination mit einer höheren Energieübertragung. Typische Punkt-zu-Punkt RFID-basierte Energieübertragungssysteme  arbeiten in einer Frequenzbreite von 70 kHz bis zu 30 MHz. Damit bewegt sich die übertragbare Energiemenge in der Größenordnung von 100 mW bis zu 100 W mit einer Leistungsfähigkeit vergleichbar zum Lade- oder Entladekreislauf von klassischen Versorgungssystemen oder Netzteilen.

Unter Berücksichtigung der gesetzlichen Elektro-Smog-Grenzen sind der Anstieg der Leistungsfähigkeit und die Freiheit in der Positionierung von drahtlosen Energieübertragungssystemen hinsichtlich der Marktdurchdringung ein Thema der Spitzentechnologie. Nur durch eine emissions-reduzierte Architektur können Anwendungen in direkter Nähe zum Menschen oder in EMV-kritischen Umgebungen ermöglicht werden. Die Abteilung ASE hat diesbezüglich eine Anordnung von nebeneinanderliegenden und verschachtelten Spulen entwickelt, welche separat gesteuert werden. Durch die Erkennung der An- oder Abwesenheit eines autorisierten Empfängers, wird nur die übertragende Spule in direkter Nähe eines korrespondierenden Empfängers aktiviert, wodurch sich die Übertragungsleistung erhöht und gleichzeitig die ungewünschten strahlenden Felder minimiert werden. Basierend auf diesem bahnbrechenden Ansatz verfügt die Abteilung ASE über ein solides Knowhow im Bereich der drahtlosen Energieübertragung und bietet diese Anwendungen als technologische Nachrüstung in Bereichen wie Medizintechnik, industrieller Automatisierungstechnik und Consumer Elektronik an.