Einführung in die drahtlose Energieübertragung

Die Welt, in der wir heute leben, ist die Welt der Maschinen und Informationen. Das wichtigste Gut in diesem Informationszeitalter ist daher Energie. Energie ist im Wesentlichen der Treibstoff der modernen Wirtschaftsmotoren. Ohne Energie sind all die hochentwickelten Maschinen und Gadgets wertlos.

In den letzten zehn Jahren wurden eine Reihe von Technologien eingeführt, die in ihren jeweiligen Sektoren große Umwälzungen verursacht haben. Wichtige Beispiele sind: Elektrofahrzeuge und Smartphones. Beide Technologien machen sich fortschrittliche IT-Technologien wie das Internet der Dinge, künstliche Intelligenz und 5G-Kommunikation zunutze. Trotz all dieser technischen Fortschritte bleibt der Bereich der Energieübertragung etwas vernachlässigt. Ein Großteil der elektronischen und elektrischen Geräte wird immer noch über Kabel und Leitungen mit Strom versorgt. Die Lösung für dieses Problem gibt es in Form von Wireless Power Transfer (WPT).

Wie drahtlose Energieübertragung funktioniert

Im Klartext: WPT ist eine Technologie, die es ermöglicht, elektrische Energie durch einen Luftspalt zu übertragen, ohne dass Drähte oder Kabel erforderlich sind. WPT funktioniert nach dem Prinzip der magnetischen Induktion, basierend auf dem Faraday'schen Gesetz. Nach diesem Prinzip wird bei zwei magnetisch gekoppelten Spulen durch einen Wechselstromfluss durch die Sendespule eine Spannung in der Empfängerspule induziert. Diese induzierte Spannung kann zum Laden von elektronischen Geräten verwendet werden. Beachten Sie, dass es keinen physischen Kontakt zwischen der Sender- und der Empfängerspule gibt und die gesamte Stromübertragung nur durch Magnetfelder erfolgt.

Das Konzept der drahtlosen Energieübertragung ist seit der Erfindung der Teslaspule lange bekannt. Aufgrund der geringen Effizienz der Energieumwandlung konnte diese Technologie jedoch lange Zeit nicht kommerzialisiert werden. Mit der Entwicklung neuer Materialien und effizienterer elektronischer Wandler ist es nun möglich, Energie drahtlos mit annehmbarer Effizienz zu übertragen. In den letzten Jahren hat WPT in Form von kabellosen Ladepads für Smartphones und Tablets an Zugkraft gewonnen, doch der Anwendungsbereich dieser Technologie ist viel breiter als das.

Techniken zum drahtlosen Laden von Strom

Die kabellose Energieübertragung kann mit einer Reihe von verschiedenen Methoden erreicht werden. Die am weitesten verbreiteten Methoden basieren auf dem Prinzip der magnetischen Induktion, während andere auf elektrische Felder, Licht und Mikrowellen zurückgreifen. Eine Zusammenfassung der verschiedenen WPT-Techniken ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Ferrit-Material in der kabellosen Energieaufladung

Wie bereits beschrieben, ist der Wirkungsgrad der Stromumwandlung das größte Hindernis bei der Masseneinführung von WPT für großflächige Anwendungen wie z.B. in der Automobil- und Fertigungsindustrie. KEMET hat nun die Lösung für dieses Problem durch die Verwendung von Ferritmaterial in den Ladepads des WPT-Systems vorgestellt. Ferrit ist bekannt dafür, die höchste Ladeeffizienz in WPT-Systemen zu liefern. Nachfolgend finden Sie die KEMET FPL-Ferrit-Platte für den Einsatz in WPT-Systemen im Automobil- und Industriebereich.

Abbildung 1: FPL-Ferritkachel

Wesentliche Merkmale der FPL-Ferritkacheln:

• Erhöhter Wirkungsgrad
• Entwickelt für WPT-Systeme mit hoher Leistung (3,7 kW - 30 kW)
• Hoher Betriebsfrequenzbereich bis zu 1 MHz
• Großer Betriebstemperaturbereich (-40oC bis +125oC)
• AEC-200 qualifiziert

Bei herkömmlichen WPT-Systemen wird der größte Teil des magnetischen Flusses vom Metallgehäuse absorbiert und erreicht nicht das Empfängerpad. Dadurch steigen die Leistungsverluste, und die Leistungseffizienz leidet. Hohe Leistungsverluste erzeugen überschüssige Wärme, die die Komponenten schnell verschmoren kann und ein Sicherheitsrisiko für den Bediener oder Verbraucher darstellt. Bei WPT-Systemen auf Ferritbasis unterdrückt die Ferritplatte die Störungen zwischen dem Antennenpad und dem Metallgehäuse. Auf diese Weise wird der Fluss des magnetischen Flusses zwischen der Sender- und der Empfängerantenne aufrechterhalten, um die Ladeeffizienz zu erhöhen. Der Unterschied im magnetischen Flussweg bei konventionellen und ferritbasierten WPT-Systemen ist in den folgenden Bildern zu sehen.

Abbildung 2: Magnetischer Fluss im WPT-System ohne Ferritplättchen

Abbildung 3: Magnetischer Fluss im WPT-System mit Ferritplatte

Aus Abbildung-2 und Abbildung-3 ist ersichtlich, dass beim konventionellen WPT-System ein erheblicher Teil der magnetischen Energie in das Metallgehäuse entweicht, während beim WPT-System auf Ferritbasis die Ferritplatte verhindert, dass die magnetische Energie im Metallgehäuse absorbiert wird.

Neben dem Ladewirkungsgrad ist die Betriebstemperatur ein weiterer kritischer Faktor bei WPT-Systemen. Bei herkömmlichen WPT-Materialien sind die Kernverluste bei niedrigen Temperaturen sehr hoch, wodurch das System bei Raumtemperaturen sehr ineffizient ist. Im Gegensatz dazu können Ferrit-WPT-Systeme bei Raumtemperatur effizient arbeiten und gleichzeitig eine gute Ladeeffizienz liefern. Die Kernverluste von konventionellem Ferrit und KEMETs proprietären Ferrit-WPT-Materialien werden in der untenstehenden Grafik verglichen.

Abbildung 4: Vergleich von Industriestandard- und KEMET-Ferrit-WPT-Materialien

Aus dem Vergleichsdiagramm der Kernverluste geht hervor, dass die Kernverluste des Industriestandard-Ferritmaterials bei 25oC 580 kW/m3 betragen, während die Kernverluste des KEMET-Ferritmaterials bei der gleichen Temperatur etwa 350 kW/m3 betragen. Somit weist dieser spezielle Ferrit bei Raumtemperatur 60 % weniger Kernverluste auf, was einen enormen Unterschied darstellt. Aufgrund des hohen Ladewirkungsgrades und der geringen Kernverluste sind diese FPL-Ferritplatten ideal für WPT-Systeme im Automobil und in der Industrie.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung von Ferritmaterial

Ferrit ist aufgrund seiner hervorragenden Effizienz, Frequenz- und Temperatureigenschaften ideal für WPT-Systeme. Es gibt jedoch einige Vorsichtsmaßnahmen, die bei der Arbeit mit Ferrit-WPT-Platten beachtet werden müssen. Die erste Vorsichtsmaßnahme betrifft die mechanische Beanspruchung und Stöße. Ferrit ist ein sprödes Material mit einer geringen Toleranz gegenüber Stößen. Die Platte kann im Falle eines Sturzes oder eines mechanischen Stoßes leicht brechen oder rissig werden. Die Verwendung eines gebrochenen oder gerissenen Chips führt zu einer erhöhten Erwärmung, die die zugehörigen Schaltungskomponenten beschädigen kann. Das Material muss sorgfältig gehandhabt werden, um mechanische Belastungen oder Stöße zu vermeiden.

Außerdem müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wenn Sie sich erhöhten Temperaturen nähern. Das Material erfährt bei extremen Temperaturen einen thermischen Schock, was zu Rissen, Brüchen und oder einer Verschlechterung der Eigenschaften führen kann. Schnelle Temperaturschwankungen müssen so gering wie möglich gehalten werden, um Langlebigkeit und hohe Leistung zu gewährleisten.

Ferritkacheln in Automobil-WPT-Anwendungen

Die thermischen Eigenschaften der Kacheln in Verbindung mit geringen Kernverlusten und einem hohen Wirkungsgrad machen diese Kacheln ideal für WPT-Systeme im Automobilbereich. WPT-Systeme werden sowohl in konventionellen als auch in Elektrofahrzeugen immer häufiger eingesetzt. Smartphones sind zu einem integralen Bestandteil des Lebens der Menschen geworden; daher ist es entscheidend, kabelloses Laden unterwegs zu ermöglichen. Der Anwendungsbereich von WPT ist nicht nur auf das Laden von Smartphones im Auto beschränkt. Hochspannungs-WPT-Systeme wurden bereits für das Laden von Elektrofahrzeugen vorgeschlagen. Kommunale Fahrzeuge wie Festnetzbusse könnten die ersten Anwender der automobilen WPT-Technologie im öffentlichen Bereich sein. Der kabellosen Mobilität gehört die Zukunft und die KEMET FPL-Ferritplatten sind für Hochleistungssysteme im Automobilbereich von 3,7 kW bis 30 kW ausgelegt.

Abbildung 5: Hochleistungs-Automobil-WPT-Ladesystem

Gegenwärtig befindet sich die Elektrofahrzeugindustrie noch in der frühen Entwicklungsphase, und aus diesem Grund gibt es keinen standardisierten Entwurf für EV-Ladesysteme. Die meisten Hersteller folgen ihren eigenen Designs und Techniken für die EV-Ladesysteme. Die Verfügbarkeit von KEMET FPL-Ferritkacheln in kundenspezifischen Formen und Größen ist ein enormer Vorteil für die Entwickler von WPT-Systemen im Automobilbereich. Dank der kundenspezifischen Abmessungen können sich die Konstrukteure auf die technischen Aspekte konzentrieren, ohne sich Gedanken über Platz- und Größenbeschränkungen machen zu müssen. KEMET-Ferritkacheln sind für Bemusterungs- und Testzwecke über hochqualifizierte Vertriebskanäle erhältlich.

Ferritkacheln, über die Automobilindustrie hinaus

Derzeit ist der Hauptmarkt für WPT-Ferritplatten die Automobilindustrie. Dies schränkt jedoch die Anwendungen dieser Platten in anderen Bereichen nicht ein. Abgesehen von der Automobilindustrie finden diese Kacheln ihre Anwendung in der Robotik, in Gabelstaplern, landwirtschaftlichen Maschinen, medizinischen Geräten, militärischen Drohnen und Industriemaschinen. Mit zunehmender Ladeeffizienz wird erwartet, dass die WPT-Technologie in den kommenden Jahren wachsen wird. Da die Leistungswerte von WPT-Systemen steigen, könnten Ferritkacheln auch im Bereich der Energieerzeugung ihren Platz finden. Mit ihren hervorragenden Ladeeigenschaften werden Ferritkacheln ein integraler Bestandteil der WPT-Systeme der Zukunft sein.

Fazit

KEMET ist branchenführend in der Entwicklung und Produktion von Ferritkacheln für WPT-Systeme. Die hochmoderne hauseigene Technologie gewährleistet höchste Aufladeeffizienz, einen weiten Temperaturbereich, hervorragende thermische Eigenschaften und geringste Kernverluste. Darüber hinaus haben Kunden die Möglichkeit, Kacheln in kundenspezifischen Größen und Formen zu bestellen, was die Designflexibilität erhöht. Mit ihren marktführenden Eigenschaften sind die KEMET-Ferritkacheln eine optimale Lösung für die Anforderungen von WPT-Systemen im Automobil. Also, warten Sie nicht länger und bauen Sie das nächste große Ding mit unseren Ferritkacheln der FPL-Serie.

Dieser Bericht stammt von KEMET (www.kemet.com)