Q1.1 Kontaktlose Energieübertragung

In den letzten Jahren lässt sich weltweit eine stetige Zunahme an wissenschaftlichen Publikationen sowie eine steigende Nachfrage nach Produkten zur kontaktlos induktiven Energie¬übertragung beobachten. Neben bereits etablierten Anwendungen, wie die elektrische Zahnbürste oder Fahrerlose Transportsysteme unterstreichen aktuelle Entwicklungsprojekte, wie die kabellose Ladung von Mobiltelefonen oder gar von Elektrofahrzeugen die zunehmende Relevanz der Technologie. Wegen der hohen technologischen Komplexität der Systeme sind jedoch bestehende Lösungen sehr applikationsspezifisch, häufig technisch unausgereift, energetisch ineffizient und kostenintensiv. Bestehende Konzepte sind somit selten auf neue Anwendungen übertragbar. Des weiteren bestehen immer noch eine Vielzahl ungeklärter Fragen zu Sicherheitsrisiken und zur Normung der Technologie.
Die Task Force „Kontaktlose Energie- und Datenüber-tragung“ soll als ein anwendungsübergreifendes Techno-logieforum den Erfahrungs- und Informations¬austausch zwischen Herstellern, Anwendern, Wissen¬schaftlern und Beratern unterstützen. In der Arbeitsgruppe der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) im VDE wirken derzeit Vertreter aus mehr als 40 Einrichtungen aus den folgenden Bereichen zusammen:

• Planung, Produktion und Vertrieb von Komplettsystemen
• Produktion und Vertrieb von Komponenten
• Systemanwendung
• Forschung und Entwicklung
• Normung, Beratung, Trendscout, Marktforschung
  

• Starken Entwicklungsimpulsen nachgehen. Diese kommen aus
  - Maschinenbau
  - Förderanlagenbau
  - Verpackungsindustrie
  - Medizintechnik
  - Automotive-Bereich
  - Industrie für Haushalts- und Büroanwendungen
  …
• Konkrete inhaltliche Schwerpunkte diskutieren und (einheitliche) Meinungen bilden
  - Einsatz in Ex.Bereich (ATEX 100a, …)
  - EMVU und EMVG – Relevanz, Geräteklassifizierung, Normen- und Grenzwerte, …
  - Austausch: Einsatz von SiC-Technik
  - Notwendigkeit von Isolationsüberwachungssystemen
  …

Die kontaktlos induktive Energieübertragung eröffnet neue Möglichkeiten zur Versorgung beweglicher Verbraucher mit Elektroenergie. Durch das Entfallen von Stromschienen, Schleppkabeln oder Schleifringen steigt die Beweglichkeit der Verbraucher. Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energiezuführung verbessern sich infolge des Verzichts auf mechanische Kontakte. Vorteilhaft ist darüber hinaus die Vermeidung von Funkenbildung, so dass die Technologie für den Einsatz in rauer Umgebung prädestiniert ist.

Kern des kontaktloses Übertragungssystems ist eine transformatorische Magnetanordnung. Abweichend vom klassischen Transformator gibt es jedoch keinen geschlossenen Eisenkern. Vielmehr sind die Primär- und die Sekundärspule durch einen Luftspalt getrennt, der mehrere Dezimeter groß sein kann. Abhängig vom Anwendungsfall kommen Spulensysteme mit oder ohne Ferritkerne zum Einsatz. Da die Energieübertragung im Mittelfrequenzbereich erfolgt, besitzt das Gesamtsystem auf der Seite der Energieeinspeisung und auf der Verbraucherseite entsprechende leistungselektronische Baugruppen.

Die auf diesem Weg übertragbare elektrische Leistung bewegt sich zwischen einigen mW und mehreren kW. Bei zielgerichteter elektrischer und magnetischer Auslegung ist selbst bei großen Luftspalten ein sehr guter Wirkungsgrad (> 90 %) erreichbar.

Häufig ist neben der Stromversorgung eine Datenübertragung gefragt. Diese kann sowohl uni- oder auch bidirektional und auch kontaktlos induktiv realisiert werden. Alternativ zu anderen, z.B. funkbasierten Lösungen, ist die induktive Übertragung aufgrund der Nahfeldnutzung sehr robust und benötigt keine Übertragungsprotokolle.

Vor allem bei der Stromversorgung fahrerloser Transportsysteme wurden Funktions-tüchtigkeit und Nutzen der kontaktlosen Energieübertragung bereits erfolgreich praktisch nachgewiesen. Das Spektrum aussichtsreicher Einsatzmöglichkeiten im industriellen und im häuslichen Umfeld ist jedoch sehr viel breiter:

• überall dort, wo Energie auf rotatorisch oder linear bewegte Verbraucher zu übertragen ist (z.B. Wellen, Linearachsen, …)
• bei der kabellosen Überbrückung eines konstruktiv notwendigen oder erwünschten Abstandes bzw. Luftspaltes (z.B. durch Wände)
• bei Anwendungen mit hohem geforderten Schutzgrad oder hohen hygienischen Anforderungen (automotive-Bereich, Lebensmittelindustrie, Medizintechnik, …)
• wenn eine kombinierte Energie- und Datenübertragung beim kontaktlosen Anschluss von Sensoren oder Aktoren gefragt ist (z.B. Wechselsysteme).
  

Die Arbeit der Task Force soll erreichen, dass

• die Weiterentwicklung der Technologie beschleunigt wird,
• die Akzeptanz dieser „neuen Technologie“ erhöht wird,
• die vorhandenen Anwendungsmöglichkeiten besser ausgeschöpft werden,
• neue Anwendungsfelder erschlossen werden,
• international wettbewerbsfähige Lösungen umgesetzt werden können.

Dazu werden die folgenden Ziele verfolgt:

• Stärkung der Branche durch Bündelung der fachlichen Expertise
  - Aufbau und Pflege eines Expertennetzwerkes
  - Austausch von Erfahrungen und Bedürfnissen zwischen den Mitgliedern
  - Frühes Erkennen von Marktbedürfnissen und Trends
  - Interessenvertretung in internationalen Fachkreisen
• Weiterentwicklung der Technologie
  - Bestandsaufnahme von Möglichkeiten, Engpässen und Problemen
  - Aufdecken und Beantworten von Sicherheits-fragen und Limitierungen
  - Anregen von wissenschaftlichen Arbeiten und Förderprogrammen
• Technologieverbreitung / Erhöhung der Technologieakzeptanz
  - Vermittlung der Technologie gegenüber potenziellen Anwendern (Marktkommunikation)
  - Zusammentragen der Arbeitsergebnisse und Veröffentlichung von Informationsdokumenten
  - Nachweis der Sicherheit, der technischen Zuverlässigkeit und der gesundheitlichen Unbedenklichkeit ("Prüfplakette")
  - Gemeinsame Beiträge auf Fachtagungen
• Standardisierung und Normung
  - Beantworten von Normungsfragen existierender Anwendungen
  - Vorbereitung und Begleitung der Standardisierung neuer Anwendungen
  - Erstellung und Pflege von Anwendungs- und Planungshinweisen
  - Erstellung und Pflege eines technischen Wörterbuches
  - Anstoßen und Begleiten von Normungs- und Richtlinienarbeiten

Das Erreichen der dargestellten Ziele wird durch vier wesentliche Arbeitsschwerpunkte verfolgt:

• Dokumentation des Standes der Technik zum Herbeiführen von Technologieverständnis und -akzeptanz
• Klassifikation etablierter Anwendungen zum Erkennen anwendungsübergreifender technischer Herausforderungen
• Lösung technischer Herausforderungen (Schwachstellen, Sicherheitsrisiken, Normungsfragen) im Rahmen von Workshops und mittels der Kooperation zu Berufs-, Fach- und Firmenverbänden
• Ergebnisverwertung mittels Marktkommunikation und Richtlinienarbeit

Mit der aktuellen Erarbeitung eines Positionspapiers, welches neben dem Stand der Technik auch die Grenzen und der Weiterentwicklungsbedarf der Technologie dokumentiert, soll zur Verbreitung und Akzeptanz der Technologie beitragen werden. Potenziellen Anwendern werden auf diesem Weg Vorteile der Technologie und sich ergebende neue Möglichkeiten vermittelt.