Wireless Charger 3.0

Martin Schrüfer,

Berührungslos laden: von der elektrischen Zahnbürste zum FTS

Conductix-Wampfler, Hersteller von Systemen für die Energie- und Datenübertragung zu mobilen Verbrauchern, präsentiert mit dem Wireless Charger 3.0 eine Lösung zum Laden von Energiespeichern, die auf die induktive Energieübertragung setzt und so auch berührungsloses, automatisiertes Batterieladen ermöglicht.

© Conductix-Wampfler

Das Laden von elektrischen Fahrzeugen mit Ladekabeln, wie beispielsweise bei Staplern seit Jahrzehnten praktiziert, ist ein bekanntes Bild. Alternativ wird eine leere Batterie gegen eine volle ausgetauscht. Beide Lösungen stoßen beim automatisierten Betrieb von FTS rasch an ihre Grenzen, da sie nicht oder nur mit hohem Aufwand automatisierbar sind. Die Verwendung von Ladekontakten kann hier der Ausweg sein. Sie sind kompakt gebaut, günstig in der Anschaffung und in unterschiedlichen Anordnungen integrierbar. Einfaches Andocken ermöglicht automatisierte Ladevorgänge.

Induktive Energieübertragung ist nicht neu. Conductix-Wampfler setzt die Technik seit mehr als 20 Jahren ein und hat mit der Inductive Power Transfer (IPT) Lösung für eine kontinuierliche, berührungslose Energieübertragung für Fahrzeuge ohne Batterien an Bord etablierte Lösung geschaffen. Das Grundprinzip ist dem eines Transformators sehr ähnlich. Um aber das System flexibel und beweglich, also praxistauglich für Fahrzeuglösungen zu machen, musste der Eisenkern entfallen. Heute besteht das System aus zwei Hauptblöcken mit einzelnen Spulen – der stationären Primärseite und der mobilen Sekundärseite. Die Primärseite erzeugt aus der Netzspannung eine höher frequente Wechselspannung.

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Beim Wireless Charger 3.0 von Conductix-Wampfler übernimmt diese Aufgabe die stationäre IPS (Inductive Power Supply), die mit einem Statusdisplay ausgestattet ist und das Laden intelligent managt. Das dadurch im ISP (Inductive Sta-tionary Pad) erzeugte Magnetfeld, das im Boden oder an der Wand stationär montiert ist, trifft berührungslos auf das IMP (Inductive Mobile Pad), das sich am Fahrzeug befindet, und wandelt das Magnetfeld dort wieder in Strom um. Dieser wird in der angekoppelten Elektronikeinheit MPU (Mobile Power Unit) in Gleichspannung umgewandelt und bereitgestellt, sodass die Batterien definiert und bedarfsorientiert geladen werden können. Den aktuellen Ladebedarf erhält das System über eine Kommunikationsschnittstelle, typischerweise direkt vom Batteriemanagementsystem (BMS). Die Energieübertragung wird dabei dem gemeldeten Bedarf angepasst. Alternativ können aber auch andere Betriebs-Modi realisiert werden, wie beispielsweise automatisiertes Laden mit fixen Vorgabewerten.

Zuverlässiges Prinzip, modern interpretiert

Auch wenn Conductix-Wampfler bereits auf lange Erfahrung in der Anwendung induktiven Ladens blickt, hat sich die Bedarfssituation in den letzten Jahren verändert und umfassendere Lösungen notwendig gemacht. Die Verfügbarkeit von Fahrzeugen wird zu einem kritischen Effizienz- und Durchsatzkriterium und die Anforderungen sind nur im automatisierten Betrieb zu erfüllen. Ein Stapler im Einschichtbetrieb kann in der Zeit geladen werden, in der er nicht genutzt wird. Heute geht der Trend allerdings in Richtung einer zunehmenden Anzahl von fahrerlosen Fahrzeugen in der Logistik. Diese sind hoch beansprucht und müssen hohe Durchsätze ermöglichen, was die Ruhe- und damit Ladezeiten minimiert.

Kabelloses, induktives Laden ist prädestiniert für automatisiertes Laden. Die Abmessungen und das Lösungskonzept erlauben eine flexible Implementierung und die Möglichkeit, das Prinzip der Gelegenheitsladung anzuwenden. Das bedeutet, auch kleine Zeitfenster während des Betriebs zur Ladung zu nutzen. Dies können beispielsweise Aufpufferungsstrecken oder Wartebereiche vor und während der Übergabe des Transportgutes sein. Dies sind Zeitfenster, die durch die Abläufe in der Produktion oder der Logistik grundsätzlich bereits gegeben sind. Die Anzahl der Fahrzeuge muss nicht deshalb erhöht werden, weil Fahrzeuge abseits in einem Ladebereich stehen oder auf dem Weg dorthin oder von dort zurück in ihren Einsatzbereich sind. Idealerweise können solche Ladebereiche komplett entfallen, was wiederum Fläche für andere Zwecke verfügbar macht.

Ein weiterer, positiver Nebeneffekt der Gelegenheitsladung sind die kurzen, aber regelmäßigen Ladevorgänge, die die thermische Beanspruchung der Batterien reduzieren und damit positiv zur Lebenserwartung beitragen. Mit den planbaren Energiebedarfen und dem regelmäßigen Zwischenladen können die ansonsten erforderlichen Batteriekapazitäten gegebenenfalls begrenzt werden und Ladezustände im unteren und oberen Bereich (State of Charge, SOC) vermieden werden, die die Batterien besonders beanspruchen und sich damit negativ auf den Lebenszyklus der Batterien auswirken.

Was der Wireless Charger 3.0 zusätzlich zu all diesen Vorteilen noch bietet, ist die mechanische Verschleißfreiheit bei der Energieübertragung, da diese berührungslos erfolgt. Der Wireless Charger 3.0 kommt zudem ohne Lüfter aus, lebensdauerbegrenzender mechanischer Verschleiß entfällt und es entsteht auch kein entsprechender Wartungsbedarf. Die Wartung beschränkt sich auf eine visuelle Zustandskontrolle und bei sehr hohem Verschmutzungsgrad auf eine gelegentliche Oberflächenreinigung. Offene Kontaktflächen gibt es bei den Spulen oder Pads nicht. Diese sind vollständig gekapselt, damit berührungssicher und weisen eine Robustheit gegenüber Umgebungseinflüssen auf. Durch den Wegfall von mechanischem Abrieb und offenen Kontaktflächen können Wireless Charger auch in Bereichen eingesetzt werden, die grundsätzlich empfindlich gegen Verschmutzung sind, wie beispielsweise saubere Produktionsbereiche in der pharmazeutischen Industrie oder der Lebensmittelproduktion.

Ein zukunftsfähiger Systemansatz

Die Systemkosten für einen Wireless Charger 3.0 verteilen sich anders als bei Ladekontakten oder Ladesegmenten. Der Wireless Charger ist ein Systemansatz, während Ladekontakte ein Systembestandteil sind und weitere Ausrüstungen wie zum Beispiel eine Spannungsversorgung notwendig machen sowie Wartungsaufwand nach sich ziehen. Darüber hinaus erlauben viele Kontaktladelösungen durch ihre oft feste Ladespannung kein bedarfsorientiertes Laden. Damit schränkt sich die Nutzbarkeit der Batteriekapazität stark ein, da nicht optimiert geladen werden kann. Ein Wireless Charger passt sich den Anforderungen an und liefert die geforderten Ladespannungen und -ströme. Dies hat einen Einfluss auf die tatsächlichen Betriebskosten eines Materialflusssystems.

Der Beitrag erschien in materialfluss 1-2/22.

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