Untersuchung einer neuartigen Kommunikationsmethode für induktive Leistungsübertragungssysteme

Die Grundlagen für die induktive Leistungsübertragung (Englisch: inductive power transfer, IPT) sind bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt, diese war aber bis zum Ende des 20. Jahrhunderts technisch nicht umsetzbar. In den letzten Jahren rückte sie weltweit in den Mittelpunkt verschiedenster Forschungsbereiche sowie der breiten Bevölkerung, vor allem durch die Verbreitung von Elektroautos und das induktive Laden von Verbraucherelektronik. IPT-Systeme bieten die Möglichkeit, Verbraucher leicht bedienbar drahtlos zu versorgen. Bei den meisten Systemen ist für die Regelung eine zuverlässige Kommunikation zwischen den beiden mechanisch getrennten Systemseiten unerlässlich. Dafür gibt es allerdings nur wenige Lösungen und nur in vereinzelten Bereichen einen etablierten Standard. Daher ist die Untersuchung einer neuartigen Kommunikationsmethode Gegenstand dieser Abhandlung. Nach einer Einführung der verschiedenen Anwendungsgebiete von IPT-Systemen, den verwendeten Kommunikationsmethoden sowie den Grundlagen wird der grundsätzliche Aufbau von IPT-Systemen analysiert, um einen Ansatz für einen Kanal zur simultanen Datenübertragung zu finden, der die bestehenden Leistungsspulen verwendet. Dabei zeigen sich die deutlichen Vorteile, die Datenübertragung in einen Frequenzbereich unter die Schaltfrequenz der Leistungsübertragung zu legen. Dieser Ansatz wird auch im Hinblick auf die unterschiedlichen IPT-Topologien untersucht, um einen gemeinsamen Entwicklungsansatz für Leistungs- und Kommunikationselektronik zu entwickeln. Basierend auf diesen Ergebnissen folgt ein Kapitel, das sich mit dem Entwurf und der Auslegung sowie der Implementierung anhand von Berechnungen und Simulationen beschäftigt. Um die Realisierbarkeit der entworfenen Kommunikationsmethode zu zeigen, werden verschiedene IPT-Systeme mit Leistungsklassen zwischen 20 W und 3000 W aufgebaut und um die Kommunikationshardware erweitert. Mit diesen wird der jeweils resultierende Datenkanal charakterisiert und Daten werden übertragen. Bei dem in einem gesamtheitlichen Ansatz entwickelten System wurde dabei bei einer übertragenen Leistung von 20 W eine gleichzeitige störungsfreie Datenübertragung von 461 kbit/s erreicht. Diese stellt eine außerordentlich zuverlässige und robuste Datenverbindung für IPT-Anwendungen dar. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion ab, in der die Ergebnisse der Simulationen mit denen der Messungen verglichen werden, eine Untersuchung der gegenseitigen Beeinflussung stattfindet und die Demonstratoren mit dem aktuellen Stand der Technik verglichen werden.The basics of inductive power transfer (IPT) have been known since the 19th century, but IPT itself was not feasible until the end of the 20th century. In recent years, it has become the focus of a wide range of research areas around the world, as well as of public society, due to the growing amount of electric vehicles and the inductive charging of consumer electronics. IPT systems offer the possibility to provide consumers with easily usable wireless energy. For most systems, a reliable communication for synchronisation of the two sides of the system is essential, but only few solutions do exist, and there are only occasional fields with an established standard. Therefore, the investigation of a novel communication method is the research object of this thesis. After a short introduction of the different application fields of IPT systems, the communication methods used as well as the basics, the general structure of IPT systems is analysed to find an approach for a simultaneous data transmission channel which uses the existing power coils. The resulting method is to use a carrier frequency lower than the switching frequency of the inverter for the communication frequency. This method is researched considering the different IPT topologies to receive a holistic approach for designing the power and communication electronics. Based on these results, the design and dimensioning as well as the realisation by means of calculations and simulations are presented in the next chapters. To show the feasibility of the communication method, different IPT systems with power levels from 20 W to 3000 W are built and the communication hardware is added. In these systems the resulting data channel is characterised and data is transmitted. The most recent system, built in a holistic approach, reaches a power transmission of 20 W with simultaneous interference free data transfer of 461 kbit/s. This data transfer provides a highly reliable and robust data link for IPT applications. The thesis concludes with a discussion in which the results of the simulations are compared to the measurements, the mutual interferences are examined and the demonstrators are compared to the current state of the art