Drahtlos übertragene Elektrizität könnte die Welt der Zukunft mit Strom versorgen

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Elektroautos, Plug-in-Hybridfahrzeuge, Roboter und Industriemaschinen müssen bald nicht mehr über Kabel mit Strom versorgt werden, denn die kabellose Übertragung großer Leistungen macht inzwischen echte Fortschritte.

Die Vorzeichen einer kabellosen Zukunft beginnen damit, diese Technik zu einem umfangreicheren Markt zu machen. Alles arbeitet dabei auf ein Ziel hin: Die Stromkabel, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und in industriellen Anwendungen benötigt wurden, wandern unweigerlich in den Mülleimer der Geschichte. Sie werden ersetzt durch die kabellose Stromübertragung – eine Technik, die dank intensivster Investitionen in Forschung und Entwicklung rasche Fortschritte macht.

Bei den Konsumprodukten hat die kabellose Stromübertragung bereits Einzug gehalten und viel Furore gemacht. Dies gilt nicht nur für Smartphones, sondern schon längere Zeit auch für elektrische Zahnbürsten und ähnliche Geräte, die damit echte Vorteile gegenüber ihren Vorgängern bieten. Im industriellen Bereich dagegen ging es mit der kabellosen Energieübertragung bisher noch etwas zögerlich voran, denn die zu übertragende Leistung liegt hier im Kilowattbereich, während es bei den kleinen Geräten des Consumer-Markts zur einige wenige Watt sind. Außerdem verlangt die Industrie nach besseren Managementbausteinen, einer konsistenten, standardisierten Designarchitektur und robusteren Werkstoffen.

Kabellose Energieübertragung im Industrial Internet of Things

Das Streben nach kabelloser Übertragung großer Leistungen hat sich in den letzten Jahren verstärkt – parallel zum Wachstum bei der Industrieautomation und den autonomen Systemen. Eine wichtige Rolle wird die kabellose Energieübertragung auch im Industrial Internet of Things (IIoT) spielen, also in dem rapide an Umfang gewinnenden Bestand an vernetzten Maschinen, Computern und Sensoren, die alles mögliche intelligenter und effizienter machen werden – vom Gesundheitswesen über Flugzeuge bis zur Energieerzeugung.

Durch die kabellose Energieübertragung werden diese Anwendungen nicht nur mobiler werden. Durch den Wegfall von Steckern und Buchsen lassen sie sich außerdem vollständig abdichten, sodass sie unter den unterschiedlichsten anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten können. Stellen Sie sich nur einmal vor: Industrieroboter werden sich autonom von einer Station zur anderen bewegen können, um dort zu sein, wo sie benötigt werden, und sie werden sich aufladen, wann und wo es am besten passt.

„Der kabellosen Energieübertragung gehört die Zukunft“, betont Manish Bhardwaj, Senior Systems Engineer bei Texas Instruments, der an den elementaren Bauelementen arbeitet, die Systeme für die kabellose Energieübertragung benötigen. „Wenn wir autonome Anwendungen in Fabriken, in der Robotertechnik sowie in Aerospace- und Automotive-Anwendungen von Kabeln befreien, erschließen sich die vielfältigsten Möglichkeiten.“

Die kabellose Übertragung von Strom macht alte Träume wahr

Kabel, die sich über Fußböden und Tische schlängeln, sind ein alltäglicher Anblick, seitdem Elektrowerkzeuge und andere industrielle Elektrogeräte vor mehr als hundert Jahren bei uns Einzug gehalten haben.

Mit diesen Kabeln stellten sich jedoch auch alle möglichen Probleme ein. Nicht nur, dass sie die Mobilität eines Geräts behindern, sondern sie lassen in noch so sorgfältig ausgearbeiteten technischen Geräten Schwachstellen entstehen, denn in Steckverbinder können Wasser, Schmutz und Luft eindringen, ganz zu schweigen von dem Verschleiß, der an Geräten durch das fortlaufende Einstecken und Abziehen der Steckverbinder entsteht. In Fabriken und anderen Bereichen stellen Kabel nicht zuletzt eine beträchtliche Gefahr für Menschen und Maschinen dar, die sich um sie herumbewegen müssen.

Seit dem Aufkommen dieser ersten elektrischen Innovationen war die Idee der kabellosen Energieübertragung ein Traum, dessen Realisierung allerdings zunächst utopisch schien. Der ebenso exzentrische wie brillante Erfinder Nikola Tesla entwarf die Vision eines kabellosen Stromversorgungsnetzes, das den ganzen Erdball überziehen und von Maschinen, die eine Stromversorgung benötigen, angezapft werden sollte. Seine Experimente schlugen jedoch fehl. Andere machten während des 20. Jahrhunderts langsame Fortschritte in der Übertragung von Elektrizität, doch erst in den letzten Jahren wurden die Möglichkeiten der kabellosen Energieübertragung wirklich umgesetzt.

Induktive Übertragung von Elektrizität durch die Luft

Die kabellose Energieübertragung nutzt das Prinzip der Induktion. Ganz einfach ausgedrückt, funktioniert das so: Eine Spule in einem Sender koppelt mit einer weiteren Spule in einem Empfänger, der sich je nach System einige Zentimeter oder einige zehn Zentimeter entfernt befindet. Gemeinsam bilden diese beiden Spulen eine Art virtuellen Transformator. Der Sender gibt in Form eines elektromagnetischen Feldes Energie ab, mit der im Empfänger ein elektrischer Strom erzeugt wird. Dieser wiederum kann zum Laden einer an die Empfängerspule angeschlossenen Batterie verwendet werden.

Natürlich sind kabellose Energieübertragungssysteme in Wirklichkeit viel komplexer, und gerade der Umgang mit den höheren Leistungen, die für Anwendungen im Zentrum von Fertigungs- und Automobilkomponenten erforderlich sind, bringt seine ganz spezifischen Herausforderungen mit sich. Der Strom wird hier mehrfach umgewandelt, eine Antenne verstärkt die elektromagnetischen Wellen und spezielle Dioden steuern die Elektrizität so, dass sie auf sichere Weise übertragen und genutzt werden kann.

Ein digitales Gehirn ist die Denkzentrale des Systems

Der Schlüssel dafür, dieses komplexe System funktionsfähig zu machen, liegt in einer Art digitalem Gehirn, mit dem seine Zentrale ausgestattet wird, um Parameter wie die Frequenz, Amplitude und Phase der elektromagnetischen Wellen zu steuern. Dies wird noch bedeutsamer, wenn Leistungen im Kilowattbereich für industrielle Prozesse oder für das Laden von Elektrofahrzeugen im Spiel sind.

Die Echtzeit-Mikrocontroller der Reihe C2000 von Texas Instruments sind in diesem Zusammenhang Schlüsselbausteine, auf die sich viele Unternehmen verlassen. Die kleinen Mikrocontroller werden im Sender und Empfänger angeordnet und kommunizieren per Bluetooth oder Wi-Fi, um den Energietransfer zu koordinieren. C2000-MCUs können das System automatisch abstimmen, indem sie die Eingangsspannung des Senders, den Bedarf der Batterie oder andere Faktoren erfassen, um sich dem ständig wechselnden Energiebedarf und dem variierenden Energieangebot anzupassen.

Die Firma Knowmax Technology Ltd. aus Taiwan, einer der Branchenführer in der kabellosen Energieübertragung, macht sich die intelligenten Steuerungsfunktionen der C2000-MCUs zunutze. Das Unternehmen besitzt eine Reihe Patente im Bereich der Integration kabelloser Ladetechnik der Spitzenklasse in elektrische Geräte.

„Die C2000-MCUs verleihen uns die nötige Flexibilität, um unsere Systeme an unterschiedliche Märkte anzupassen“, betont Tank Huang, Projektleiter bei Knowmax. „Die Bausteine erlauben eine präzise Steuerung unserer Leistungsstufen, damit die Energieübertragung so effizient wie möglich abläuft.“

Mit der Zielsetzung, Marktführer bei den entscheidenden Ausrüstungen zu sein, die das kabellose Übertragen großer Leistungen möglich machen, bringen die Forscher bei Texas Instruments Komponenten dazu, den Transfer von immer mehr Leistung über immer größere Distanzen zwischen Sender und Empfänger intelligent abzuwickeln. Angesichts all dieser zielgerichteten Initiativen mit dem Ziel, die Technik der kabellosen Energieübertragung zu verbessern, gehen sie davon aus, dass diese Technik in Robotern, industriellen Nutz- und Lagerfahrzeugen, Elektroautos sowie größeren Flotten- und Baufahrzeugen Fuß fassen wird.

„Die Luft ist zweifellos voller Spannung für all jene, die derzeit in der kabellosen Energieübertragung tätig sind“, erläutert Chris Clearman, ein für C2000-MCUs zuständiger Produktmarketing-Ingenieur bei Texas Instruments. „Schon bald werden Ingenieure in ihren Plänen nicht mehr nach dem richtigen Platz für Hochspannungssteckverbinder suchen müssen. Die Menschen werden in Elektroautos unterwegs sein, die zum Laden nicht mehr an eine Steckdose angeschlossen werden müssen, und Fabrikarbeiter werden neben kabellos geladenen Robotern tätig sein. Wenn man sich das richtig überlegt, arbeiten wir also an einer Technik, die langfristig jeden Menschen und jede Branche auf der Welt erreichen wird.“

(Nach Unterlagen von Texas Instruments)

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