Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

Induktive Energieübertragung

Induktive Leistungsübertragungssysteme haben viele Vorteile gegenüber verdrahteten Lösungen, wie zum Beispiel die Beseitigung von störenden Drähten, das Auslassen von offenen Kontakten und die einfache Überwindung von Luftspalten. Die Technologie der induktiven Energieübertragung bietet einen Mehrwert in einem breiten Anwendungsspektrum, wie zum Beispiel bei

  • Hilfsgütern (z. B. 48 V bis 48 V oder 24 V bis 24 V)
  • Wireless Stecker für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen
  • Energieversorgung für bewegte elektrische Lasten
  • Wireless Aufladung für Elektrofahrzeuge

Wir entwickeln und realisieren induktive Kraftübertragungssysteme. Von der FEM-Simulation über die Leistungselektronikanalyse / Simulation und der mechanischen Integration bis zur Realisierung kompletter Prototypen.

 

Schwerpunktthemen

Klicken Sie auf einen Bereich, um zum entspechenden Thema zu springen

Induktives Laden
Induktives Kugellager
Induktiver Stecker
Wireless Office - Bachmann
Kontaktloses Laden von Hörgeräten
HF-Generator für induktives Erwärmen

Induktives Laden

Die Verbesserung des Benutzerkomforts ist ein entscheidender Punkt für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen.

Wir haben ein induktives Ladesystem für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge entwickelt, um einen autonomen Ladevorgang ohne jegliche Benutzerinteraktion zu ermöglichen. Dieser Ansatz verbessert den Benutzerkomfort und erleichtert die notwendige Technologie für ein ubiquitäres Ladekonzept.

 

Download Produktblatt (PDF):

Nicht nur die Erhöhung der elektrischen Fahrreichweite, sondern auch die Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit ist ein entscheidender Punkt für den Erfolg von Batterie-Elektro- & Hybrid-Elektrofahrzeuge. Angesichts der ergonomischen und praktischen Aspekte des Ladevorgangs ist die drahtlose Aufladung ein konsekutiver Schritt für die Entwicklung der Ladeinfrastruktur. Wir haben ein induktives Ladesystem für Batterie-Elektrofahrzeuge entwickelt, welches einen autonomen Ladevorgang ohne jegliche Benutzerinteraktion ermöglicht. Dieser Ansatz führt zu einer enormen Verbesserung des Bedienkomforts und erleichtert die notwendige Technik für ein ubiquitäres Ladekonzept.

Ziele

  • Design eines positionstoleranten kabellosen Ladesystems
  • Übertragungsleistung von 3,7 kW (skalierbar bis 11 kW)
  • Laden ohne Benutzereingriff ("autonomes" elektrisches Fahren)
  • Drahtlose Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite

Herausforderungen

  • Auswahl einer geeigneten Spulengeometrie und Anordnung
  • Optimierung der Kopplungsspulen zur Verringerung der Systemverluste
  • Sicherer und effizienter Betrieb des Ladesystems

Ergebnisse

  • extrem kompakte Fahrzeugseitenspulen (Durchmesser einer CD)
  • 94% Systemwirkungsgrad bis zur Batterie
  • Integration eines niedrigen und robusten Informationsübertragungskanals (max.3,5 kW)

Projektpartner

Forschungsprojekt in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente und weiteren Lehrstühlen der FAU Erlangen-Nürnberg.

Induktives Kugellager

Die Fähigkeit, Leistung in kleine bewegten Systemen zu übertragen, ist für eine breite Palette von Anwendungen erforderlich, wie zum Beispiel für Windkraftanlagen mit Elektronik in den Rotorblättern oder hochautomatisierte 'Industrie 4.0'-Produktionsplattformen.

Ziel ist es, eine Technologie für den kontaktlosen Transfer von Strom und Daten in kleinen bewegten Bauteilen in rauen Umgebungen zu entwickeln.

 

Download Produktblatt (PDF):

Ziele

  • Realisierung einer induktiven Energieübertragung für schnell bewegte Komponenten
  • Übertragungsleistungen bis zu 20 W
  • Drahtlose Kommunikation von Informationen sowie höhere Datenraten zur Übertragung von Sensor- & Aktorinformationen

Herausforderungen

  • Außerordentlich hoher Integrationsgrad der Koppelspulen
  • Realisierung eines rotierenden Transformators mit Metallteilen in der näheren Umgebung
  • Hohe mechanische Anforderungen

Ergebnisse

  • Nachweis der Funktion in einer rotierenden Anwendung (Kugellager mit Welle)
  • Praktische Robustheitsuntersuchungen & Simulationen elektronischer Baugruppen über den normative abgedeckten Messbereich hinaus
  • Nahfeldübertragung bei hohen Frequenzen inklusiv alternativer kapazitiver Übertragungssysteme mit differentiellem Richtkoppler
  • Höherwertige digitale Modulationen und thermoelektrische Optimierung der Frequenzweiche

Projektpartner

Induktiver Stecker

Die induktive Energieübertragung ermöglicht eine kontaktlose Übertragung von Energie in schnell bewegte Komponenten. Robuste induktive Stecker  könnten in der Fertigung von Lebensmittelbetrieben oder der chemischen Industrie eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten sie auch die einfachere und sichere Elektrifizierung von Bau- und Landmaschinen ermöglichen, die für den Betrieb von elektrischen Anbaugeräten eine entsprechend robuste Steckerlösung benötigen.

Ziele

  • Realisierung einer induktiven Steckverbindungen besondere Umgebungsbedingungen
  • Übertragungsleistung bis zu 1000 W
  • einfache Handhabung
  • hohe Robustheit
  • Höchste Effizienz

Herausforderungen

  • Aufgrund der Forderung nach hoher Kompaktheit kann nur wenig Verlustleistung abgeführt werden (hohe Effizienz nötig)
  • Integration in sehr kleinen Bauraum

Ergebnisse

  • Nachweis der Funktionsfähigkeit
  • Anwendungsübergreifender Systementwurf von Magnetik und Leistungselektronik mit Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Simulationsverfahren
  • Praktische Robustheitsuntersuchungen & Simulationen elektronischer Baugruppen über den normative abgedeckten Messbereich hinaus

Projektpartner

Wireless Office - Bachmann

Eine Batterie und eine Empfangs-/Sendeeinheit für die induktive Energieübertragung sind in den Rollenbehälter integriert. Der Batteriespeicher des Rollbehälters wird an der Steckdose oder optional induktiv aufgeladen.

 

Download Produktblatt (PDF):

Ziele

  • Schreibtische der nächsten Generation, arbeiten ohne sichtbare Verbindungen - „Clean Desk“
  • Höhere Flexibilität des Arbeitsplatzes

Herausforderungen

  • Induktive Energieübertragung mit mittlerer Leistung (>100 W) im Bereich der Schutzkleinspannung führt zu hohen Strömen
  • Bereitstellung einer stabilisierten Spannung für das Gleichspannungsnetz des Schreibtischs

Ergebnisse

  • Sehr kompaktes induktives Energieübertragungssystem (150 mm x 150 mm x 40 mm)
  • Darstellbare Luftspalte bis 20 mm
  • Übertragbare Leistung P < 150 W

Projektpartner

BACHMANN GmbH

Kontaktloses Laden von Hörgeräten

Verschiedene Spulentypen und Positionen wurden untersucht, um die Wirbelströme in der Batterie zu minimieren und die Effizienz der elektromagnetischen Übertragung zu maximieren. Um das Laden und Entladen der Batterie sicherzustellen, wurde die gesamte Elektronik in den gegebenen Bauraum integriert. Des Weiteren wurde ein kleiner Mikrocontroller zur Kontrolle eingebaut. Da die Batterie aus einer neuen Zusammensetzung besteht (Silber-Zink basiert), wurden verschiedene Ladealgorithmen implementiert und ausgewertet.

© Fraunhofer IISB

Ziel

Die meisten Hörgeräte werden von nicht aufladbaren Batterien gespeist. Um die Ergonomie und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, war es das Ziel eine induktive wiederaufladbare „retro fit“ Batterie zu entwickeln.

Herausforderungen

  • Geringe Größe der Leiterplatte und Sekundärspule
  • Der Batteriespeicher muss für mindestens 18 Stunden ausreichen sowie in 6 Stunden vollständig aufgeladen sein
  • Intelligente Ladesteuerung mit Batteriespannung und Ladestromüberwachung

Ergebnisse

Während des Projekts wurde eine induktiv aufladbare „retro fit“ Batterie für Hörgeräte entwickelt, integriert und erfolgreich getestet. Das Nachrüstmodul besteht aus einer Silber-Zink basierten Batterie, welche induktiv geladen wird und herkömmliche Knopfbatterien der Größe 13 ersetzen kann.

Projektpartner

Vertraulich

Laufzeit

2011 - 2012

HF-Generator für induktives Erwärmen

In diesem Projekt sollte die Leistungsfähigkeit und Robustheit eines CoolMOS™-Transistors in hochfrequent getakteten Brücken am Beispiel eines HF-Generators zur induktiven Erwärmung gezeigt werden.

© Fraunhofer IISB

Ziele

Entwicklung eines HF-Generators mit sehr hohem Wirkungsgrad für induktive Erwärmung.

Herausforderungen

  • Ausgangsleistung ca. 1 kW
  • Arbeitsfrequenz 100...500 kHz
  • SMD-Leistungstransistoren
  • Eingangsspannung 230 Vac
  • Absolute Betriebssicherheit unter allen Lastbedingungen 

Ergebnisse

Für die Erzeugung einer HF-Leistung von 1 kW im Frequenz­bereich bis 500 kHz wurde der Generator als  resonanter Halbbrücken­wandler realisiert.
Jeder der beiden Halbbrückenschalter besteht aus zwei parallel geschalteten CoolMOS-Transistoren vom Typ SPB20N60C2 (190 mOhm, 600 V). Damit erreicht der Generator einen Wirkungsgrad von über 97%. Aufgrund der geringen Verlustleistung konnten die Leistungstransistoren in SMD-Technik montiert und durch die Leiterplatte entwärmt werden.

Ein spezielles Ansteuerverfahren stellt eine resonante Kommutierung unter allen – auch transienten – Betriebs­bedingungen sicher.

Projektpartner

Infineon AG

Laufzeit

2000 - 2001

Publikationen

Alle ausklappen Alle einklappen

Authors Title Talk Paper
Ditze, S.; Heckel, T.; März, M.

Influence of the junction capacitance of the secondary rectifier diodes on output characteristics in multi-resonant converters,

2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA 2016

 x pdf
Joffe, C.; Roßkopf, A.; Ehrlich, S.; Dobmeier, C.; März, M.

Design and optimization of a multi-coil system for inductive charging with small air gap,

2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA 2016

 x pdf
Sanftl, B.; Joffe, C.; Trautmann, M.; Weigel, R.; Koelpin, A.

Reliabe data link for power transfer control in an inductive charging system for electric vehicles,

2016 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM)

   pdf
Roßkopf, A.; Bär, E.; C. Joffe; Bonse, C.

Calculation of Power Losses in Litz Wire Systems by Coupling FEM and PEEC Method,

IEEE Transactions on Power Electronics

   pdf
Roßkopf, A.; Schuster, S.; Endruschat, A.; Bär, E.

Influence of varying bundle structures on power electronic systems simulated by a coupled approach of FEM and PEEC,

IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC)

   pdf
Joffe, C.

Modular Charging Solutions,

ECPE Workshop "Power Electronics for e-Mobility", 22 - 23 June 2016

 x  
Ditze, S.

Steady-State Analysis of the Bidirectional CLLLC Resonant Converter in Time Domain,

INTELEC, Vancouver 2014

   pdf
Joffe, C.; Ditze, S. Rosskopf, A.

A Novel Positioning Tolerant Inductive Power Transfer System,

ETEV, Nürnberg, 2013

 x pdf

Authors Title Talk Paper
Ditze, S.; Endruschat, A.; Schriefer, T.; Rosskopf, A.; Heckel, T.

Inductive Power Transfer System with a Rotary Transformer for Contactless Energy Transfer on Rotating Applications,

2016 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Montreal, Quebec, Kanada 2016

   pdf
Gerstner, H.

Inductive Energy and Data Transmission in Novel Industrial Applications,

Embedded Platforms Conference Munich, 10. November 2016

 x  

Authors Title Talk Paper
Trautmann, M.; Joffe, C.; Pflaum, F.; Sanftl, B.; Weigel, R.; Heckel, T.; Koelpin, A.

Implementation of simultaneous energy and data transfer in a contactless connector,

2016 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet)

   pdf
Ehrlich, S.

Design and Optimization of a Highly Integrated Inductive Power Transfer System for Pluggable Applications,

Wireless Congress: Systems & Applications Munich, 10. November 2016

 x