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01 Der vom Ifak entwickelte Demonstrator eines kontaktlos induktiv versorgten und kommunizierenden Sensor-Aktor-Systems für stoffanalytische Untersuchungen

Energie sowie Daten drahtlos und robust übertragen

02 Schema eines kontaktlosen Übertragungssystems für Energie und Daten

03 Schema des systematischen Entwurfs eines kontaktlosen Übertragungssystems für Energie und Daten

Ob Mobiltelefon, Dect-Telefon oder die Bluetooth-Verbindung im Auto – die drahtlose Kommunikation ist heutzutage allgegenwärtig. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, parallel zu den Daten Energie zu übertragen, beispielsweise kontaktlos induktiv (Transformatorprinzip). Das Spektrum der Anwendungen und Perspektiven für innovative Designs, bei denen eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung Vorteile gegenüber drahtgebundenen Techniken bringt, ist breit gefächert.

Am offenkundigsten treten die Vorteile der kontaktlosen Übertragung von Energie und Daten wohl bei bewegten Verbrauchern zutage, wo die andernfalls erforderlichen Kabelschleppen und Schleifkontakte den Wartungsaufwand sowie die Störanfälligkeit erhöhen. Ein anderes gutes Beispiel sind Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Abgesehen davon, dass momentan verschiedene Steckersysteme auf dem Markt konkurrieren und die Systeme nicht interoperabel sind, wäre es für den Kraftfahrer doch wesentlich komfortabler, er könnte „nachtanken“, ohne jedes Mal ein Kabel mühsam auf- und abzurollen und bei Wind und Wetter mit Einkaufstüten in der Hand den notwendigen Steckkontakt herstellen zu müssen. Auch für den Träger eines Herzschrittmachers ist es sicherlich eine angenehmere Vorstellung, ein paar Tage eine Weste zum Nachladen des Akkus zu tragen, statt sich einer Operation zum Wechseln desselben unterziehen zu müssen.

Prinzipieller Aufbau eines kontaktlosen Übertragungssystems
Das induktive Übertragen von Energie (und Daten) kann generell durch nichtmetallische Materialien hindurch erfolgen, also auch durch Wände, menschliches Gewebe oder durch Flüssigkeiten. Exemplarisch dafür seien Entwicklungsarbeiten für kontaktlos versorgte Sensoren in größeren Prozessvolumina erwähnt. Zu Anschauungszwecken realisierte das Institut für Automation und Kommunikation einen Modellreaktor, in dem verschiedene Sensoren durch einen Rührantrieb bewegt werden (Bild 1). Sämtliche sensorischen und aktorischen Komponenten im flüssigen Medium werden kontaktlos über die Bodenplatte versorgt, alle Daten über den gleichen Weg bidirektional ausgetauscht. Das dabei verwendete Spulensystem ist in Bild 2 dargestellt. Prinzipiell besteht ein kontaktloses Übertragungssystem für Energie und Daten aus:
・einer Primärelektronik für die Erzeugung hoher Frequenzen (zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades unerlässlich),
・einem magnetischen, in Resonanz arbeitenden Übertragungssystem, das aus Primär- und Sekundärspule besteht und
・einer Sekundärelektronik, an der der zu versorgende Verbraucher angeschlossen ist.

Möglichkeiten der Datenübertragung
Die Energieübertragung ist unidirektional. Die Datenübertragung hingegen kann bidirektional ausgelegt sein, um zum Beispiel Steuersignale zur Sekundärseite zu senden, während gleichzeitig Daten von sekundärseitigen Verbrauchern (Sensoren) an die Primärseite übertragen werden. Ein gängiges Modulationsverfahren bei der induktiven Datenübertragung ist die Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying, ASK). Dabei wird das sinusförmige Trägersignal, auf dessen Frequenz die Datenspulen abgestimmt sind, mit der Taktung der entsprechenden Bitfolge getastet. Diese getasteten Sinuspulspakete werden auf der Empfangsseite gefiltert, entsprechend aufbereitet und nach einer Pegelwandlerstufe als Bitfolge ausgegeben. Alternativ zur beschriebenen Vorgehensweise ist die Aufmodulation der Daten auf das Energiesignal möglich. Dabei muss eine ungestörte Koexistenz der beiden Übertragungssysteme bzw. -kanäle gewahrt werden. Für eine Datenübertragung ist es wichtig, die Signalintegrität auf der Empfangsseite sowie der gesamten Baugruppe zu gewährleisten, da ansonsten die Nachrichten nicht mehr fehlerfrei übermittelt werden. Das ist nur durch einen genügend großen Störabstand möglich, der zum Beispiel durch einen entsprechend großen Frequenzabstand zwischen Energie- und Datensignalen zu erreichen ist. Bei Verwendung eines separaten Datenspulendesigns kann eine besondere Wicklungsanordnung die Störbeeinflussung allein durch die Bauform kompensieren.

Der richtige Entwurf
Der Entwurfsprozess kontaktloser Übertragungssysteme ist aufgrund zahlreicher Einflussgrößen und Parameter (elektrisch, mechanisch, thermisch, ökonomisch, …) applikationsspezifisch und hochgradig komplex (Bild 3). Er erfordert aufgrund der verschiedenen Entwicklungsumgebungen für die elektromagnetische Simulation, die Schaltungssimulation und die Untersuchung des thermischen Verhaltens einen nicht unerheblichen Zeitaufwand. Typischerweise beginnt dieser Prozess mit der Dimensionierung des Spulensystems und der leistungselektronischen Komponenten. Dabei ist eine Vielzahl verschiedener Parameter zu berücksichtigen. Neben den geometrischen und elektrischen Randbedingungen, die durch die jeweilige Anwendung vorgegeben sind, beeinflussen äußere Faktoren, wie Luftspalttoleranzen oder laterale Fehlpositionierungen, das Verhalten des Gesamtsystems. Aber auch Bauelemente- sowie Fertigungstoleranzen wirken sich auf das Übertragungsverhalten aus. Der erste Schritt beim Entwurfsprozess ist die Festlegung bzw. Vorauswahl von elektrischen, technologischen und geometrischen Randbedingungen, die die Startwerte des Entwurfsprozesses bilden. Daran schließen sich erste elektrische, magnetische und thermische Berechnungen an, aus denen sich Systemkenngrößen ableiten lassen. Diese Ergebnisse werden an den eingangs aufgestellten Vorgaben gespiegelt.

Oft ist es notwendig, die Systemkenngrößen und die Geometrie usw. zu variieren und erneute Berechnungen zu starten, da das System die Anforderungen nach dem ersten Durchlauf meist nicht erfüllt. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis die geometrischen, elektrischen, thermischen und EMV-relevanten Anforderungen erfüllt sind. Demzufolge beginnt ein Systementwurf praktisch immer mit einer Bewertung der Machbarkeit. Dabei bilden sowohl analytische Berechnungen als auch schaltungs- und elektromagnetische Feldsimulationen die Basis für einen Entwurf kontaktloser Energie- und Datenübertragungssysteme. Neben der funktionalen Sicherheit stehen zunehmend insbesondere Aspekte der EMV-/EMVU (Elektromagnetische Verträglichkeit/ zur Umwelt) im Fokus des Interesses. Die entsprechenden Grenzwerte dazu sind in verschiedenen nationalen und internationalen Richtlinien verankert. Sie unterliegen derzeit in vielen Bereichen umfangreichen Diskussionen, wie in der Task Force „Kontaktlose Energie- und Datenübertragung“ der ETG/VDE Seiten/TFKontaktlose.aspx oder im Arbeitskreis GAK 353.0.1 „ Berührungsloses Laden von Elektrofahrzeugen“. Nach dem virtuellen erfolgt der reale Systemaufbau in Form erster Funktionsmuster, die getestet und gegebenenfalls iterativ optimiert werden, um die Anforderungen hinsichtlich elektrischer, konstruktiver und auch ökonomischer Parameter zu erfüllen. Bereits am Markt verfügbare Produkte sowie umfängliche Forschungsarbeiten belegen, dass durch einen optimalen Systementwurf normkonforme Übertragungssysteme bis in den Kilowattbereich bei Gesamtwirkungsgraden von deutlich mehr als 90 % technisch und ökonomisch umsetzbar sind. (no)

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Autoren:
Dr.-Ing. Sven Thamm ist zuständig für den Themenbereich Signalanalyse und -Verarbeitung im Geschäftsfeld Messtechnik und Leistungselektronik am Institut für Automation und Kommunikation e. V. in Magdeburg. sven.thamm@ifak.eu

Prof. Dr. Jörg Auge leitet das Geschäftsfeld Messtechnik und Leistungselektronik am Ifak und lehrt an der Hochschule Magdeburg-Stendal
Elektrische Messtechnik. joerg.auge@ifak.eu