Kapazitive und Kabellose Leistungsübertragung

Motivation

Kabellose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) hat in den letzten Jahren immer weitere Anwendungen gefunden. Weit verbreitet ist das Laden von Batterien, besonders in Kleingeräten wie Zahnbürsten und Mobiltelefonen. Darüber hinaus befinden sich Anwendungen wie das kabellose Laden von Elektroautos in Entwicklung. Außerdem können mobile und rotierende Systeme kontaktlos versorgt (z.B. für die Erregerwicklung in elektrisch erregten Synchronmaschinen) und eine galvanische Trennung realisiert werden. Die großen Vorteile liegen darin, dass Verschleiß und Korrosion mechanischer Steckverbinder vermieden werden können und die Handhabung durch den Nutzer bzw. die Abläufe in automatisierten Systemen vereinfacht werden können und die Positionstoleranz verbessert werden kann.

Kapazitive Energieübertragung (Capacitive Power Transfer, CPT) hat gegenüber weiter verbreiteten induktiven Lösungen (Inductive Power Transfer, IPT) einige Vorteile:

• Wenig Streufeld: Elektrische Felder beschränken sich im Wesentlichen auf den Bereich zwischen den Elektroden. Dadurch werden Störemissionen reduziert und Verluste durch Wirbelströme in nahen Metallen vermieden.
• Vermeidung von Magnetkernmaterialien: Bei CPT können diejenigen Magnetkernmaterialen eingespart werden, die beim IPT für die Feldsteuerung und zur Schirmung eingesetzt werden. Damit sinken Gewicht, Bauraum, Verluste und Kosten, insbesondere auf der Sekundärseite.
• Einfache und gut integrierbare Lastseiten: Die auf der Lastseite benötigten Schaltungsteile sind besonders leicht, gut integrierbar und kostengünstig. Es werden auf Sekundärseite keine induktiven Komponenten benötigt, insbesondere keine geometrisch aufwendigen Koppelspulen. Damit können Lasten einfach vervielfältigt und (auch gleichzeitig) an das Energieversorgungssystem angebunden werden

Forschungsaufgaben

Der bisher limitierende Nachteil geringer Energiedichten in elektrischen Feldern kann durch den Einsatz von hohen Betriebsfrequenzen kompensiert werden. Dafür werden effiziente RF-Schaltungen und Wechselrichter benötigt, die eine kapazitive Koppelstrecke treiben können. Mit CPT können Anwendungen von der koppelkapazitätsarmen Hilfsenergieversorgung bis hin zum Laden von autonomen Luftfahrzeugen realisiert werden. Die Forschung am LEE fokussiert sich auf die Entwicklung geeigneter Wechselrichtertopologien und die Anwendung und Integration in Systemen mit vielen Lasten und für besonders gewichtsarme und kostengünstige Lastseiten, z.B. für die Luftfahrt.