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

Induktive Energieübertragung

Am Fraunhofer IISB sind wir Vorreiter für Forschung und Entwicklung im Bereich der induktiven Energieübertragungssysteme (IPT). Induktive Energieübertragung ermöglicht eine vollständig kontakt­lose – verschleiß- und lichtbogenfreie – Energieübertragung und bietet damit höchste Betriebssicherheit, gerade in staubigen, feuchten oder rotierenden Anwendungen, in denen herkömmliche Steckverbinder frühzeitig versagen. Die Technologie schafft Mehrwert in zahlreichen Einsatzfeldern, zum Beispiel:

  • Kundenspezifische Hilfsstromversorgungen (z. B. 48 V auf 48 V oder 24 V auf 24 V) für Anwendungen mit sehr hohen Isolationsanforderungen
  • Berührungslose Steckverbinder für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen
  • Energieversorgung bewegter oder rotierender elektrischer Lasten
  • Drahtloses Laden von Elektrofahrzeugen: bis zu 11 kW für stationäre Anwendungen und bis zu 20 kW für dynamische In-Road-Systeme in Kooperation mit dem E|Road Center.

Wir entwickeln und realisieren komplette IPT-Systeme – von der FEM-Simulation des induktiven Übertragungssystems zu der Analyse, Simulation und Auslegung der benötigten Leistungselektronik über die mechanische Integration bis zur Umsetzung voll funktionsfähiger Demonstratoren.

Schwerpunktthemen

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StruFuFako
Induktives Laden
Induktives Kugellager
Induktiver Stecker
Wireless Office
HF-Generator für induktives Erwärmen

StruFuFako – Leichtbau-Unterboden mit integrierter induktiver Ladefunktion

Forschungsprojekt StruFuFako – Strukturelle, funktionsintegrierte Fahrzeugkomponenten auf Basis faserverstärkter Thermoplaste

Integration einer induktiven Empfangsspule in ein Leichtbauteil für ein kompaktes selbstfahrendes Fahrzeug, um die urbane Mobilität der nächsten Generation vorabzutreiben.

StruFuFako ist ein öffentlich gefördertes F&E-Projekt zur Entwicklung eines gewichtsoptimierten Unterbodenmoduls für batterieelektrische Fahrzeuge. Das Bauteil vereint faserverstärkte Thermoplaststrukturen mit einer 3,6 kW Induktionsladespule und einem intelligenten Thermomanagement – mit dem Ziel, alles in einem einzigen Prozessschritt zu fertigen. Die vollständig integrierte Lösung soll die Gesamtfahrzeugmasse reduzieren, die Bauteilanzahl und den Produktionsaufwand senken sowie in künftigen kompakten, leichten, autonomen Personentransportfahrzeugen im innerstädtischen Bereich eine drahtlose Leistung von 3,6 kW bei 96 % Systemeffizienz ermöglichen.

Projektziele für das Fraunhofer IISB

  • Auslegung von Fahrzeug- und Bodenspulen, Resonanzkreisen und Leistungselektronik
  • Optimierung der magnetischen Kopplung, Gesamtwirkungsgrad und EMV bei variierenden Luftspalten und Versatz des Spulensystems
  • Entwicklung eines mechanisch und thermisch robusten Spulenträgers zur direkten Einbettung in die Verbundstruktur
  • Laboraufbau, Montage und Validierung des induktiven Ladesystems

Herausforderungen

  • Sicherstellung der hohen magnetischen Kopplung und EMV-Konformität trotz variabler Luftspalte, Versatz des Spulensystems und variierender Bodenfreiheit 
  • Einbettung der Spulen und Ferrite in den Verbundwerkstoff, ohne die Crash-Sicherheit oder die Recyclingfähigkeit zu beeinträchtigen
  • Abführung der entstehenden Wärme in einem abgedichteten, dünnen Unterbodenmodul, unter Einfluss von Straßenschmutz, Wasser und Temperaturzyklen
  • Realisierung automobilgerechter Zykluszeiten und einer robusten Verbindung von Metall, Verbundwerkstoffen und Elektronikbauteilen in einem einzigen Prozessschritt

Projektpartner

Gemeinschaftliches Forschungsprojekt in Kooperation mit

  • Centrotherm Systemtechnik GmbH (Koordinator)
  • ElringKlinger AG
  • LIA GmbH
  • HK-Präzisionstechnik GmbH
  • Fraunhofer ICT

Induktives Laden für die Elektromobilität

Induktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge ermöglichen komplett autonome Ladevorgänge und zukünftige selbstfahrende Mobilitätskonzepte

Unser induktives Ladesystem nutzt kleine Luftspalten zwischen Sendeeinheit und Fahrzeugspule und ermöglicht so Skalierbarkeit, sehr geringen Materialeinsatz, hohe Effizienz und minimale Streufelder.

 

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

Induktive Energieübertragung auf kleine, sich bewegende Komponenten – kontaktlos & verschleißfrei

Unser kontaktloses induktives Energie- und Datenübertragungssystem liefert bis zu 20 W an ein rotierendes Kugellager und bietet eine skalierbare, verschleißfreie sowie umgebungsresistente Alternative zu kabelgebundenen Lösungen für schnell bewegte Bauteile.

 

Download Produktblatt (PDF):

Die Fähigkeit, Energie in kleinen, bewegten Systemen zu übertragen, ist für zahlreiche Anwendungen erforderlich – etwa Windkraftanlagen mit integrierter Elektronik in den Rotorblättern oder hochautomatisierte Industrie-4.0-Produktionsplattformen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Technologie zur kompletten kontakt- und verschleißfreien Übertragung von Energie und Daten in kleinen, bewegten Komponenten unter rauen Umweltbedingungen.

Die IPT-Technologie ermöglicht es (fremderregten) Synchronmaschinen, ihren Rotorerregerstrom völlig bürsten- und kontaktlos zu beziehen, sodass statt Permanentmagneten gewickelte Feldwicklungen eingesetzt werden können. Durch den Wegfall der Rotormagnete sinkt die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen (seltene Erden), während Bauteilkosten und Lieferkettenrisiken reduziert werden. Gleichzeitig erlaubt die drahtlose Erregung eine präzise, dynamische Steuerung von Leistungsfaktor und Maschinenleistung – ganz ohne verschleißanfällige Bürsten oder Schleifringe.

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- und 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

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

HF-Generator für induktives Erwärmen

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

 

© 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

Publikationen

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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

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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

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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

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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

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Publikationen


Brochures

 

Flyer & Broschüren