Mobilität

Innovativ induktiv

Kabelfreie Ladesysteme für Elektromobile erhöhen den Komfort für Verbraucher. Sie könnten der Fahrzeugsparte zur breiteren Akzeptanz verhelfen. Gesucht sind wirtschaftliche Systeme mit möglichst geringen Ladezeiten und Energieverlusten.

Morris BreunigMorris Breunig

Das Mobilitätsverhalten wandelt sich. Das Bedürfnis von Verbrauchern nach umweltverträglicher Elektromobilität steigt und die Hersteller sind gefordert. Zur Massentauglichkeit benötigt es innovative Methoden der Energiespeicherung und -übertragung. Statt mit Kabel soll deshalb zukünftig kabellos das Elektrofahrzeug mit Energie versorgt werden. Bekannt von Zahnbürsten, Induktionsherden oder Mobiltelefonen könnte sie die Elektromobilität erheblich vorantreiben: die induktive Ladetechnik.

Ladesystem für den Strassenverkehr zugelassen

Im Teilprojekt „Induktives Ladesystem ILS“ entwickelte die E-Wald-Forschungsgruppe der deutschen Technischen Hochschule Deggendorf zusammen mit Spezialisten der Intis GmbH das weltweit erste für den Strassenverkehr zugelassene, berührungsfreie und kabellose Schnellladesystem für Elektro-PKW mit einer übertragenen Nennleistung von 30 kW. Herkömmliche Ladesysteme erreichen lediglich eine Leistung von 3,6 kW. 80 Prozent der Kapazität sind bereits nach rund 30 Minuten Ladezeit erreicht. Die Technologie soll zudem unabhängig von Automarken einsetzbar sein. Zwischen der Primärspule im Boden und der Sekundärspule im Fahrzeug erfolgt die Energieübertragung über ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dafür müssen die beiden Ladeplatten möglichst genau übereinander ausgerichtet sein. Ein im Wagen integriertes Positioniersystem hilft jedoch beim Befahren der Ladeplatte.

Positionstoleranzen entscheidend für Effektivität

Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersuchte die Technologie im kürzlich abgeschlossenen BMBF-Förderprojekt BIPoLplus (Berührungsloses, induktives und positionstolerantes Laden). Unter folgenden Fragestellungen konnten am Teststand Erkenntnisse zur Positionierung von Fahrzeug und Ladeplatte gewonnen werden:

  • Wie exakt müssen die Spulen übereinander positioniert sein, um möglichst effizient laden zu können, sprich wie genau muss der Fahrer oder das automatisierte Parksystem einparken?
  • Wie viel Wärme entsteht beim Ladevorgang und muss das System eventuell gekühlt werden?
  • Wie bringt man die Spule am besten im Fahrzeug unter?
  • Welche Sicherheitsaspekte müssen berücksichtigt werden?

"Um möglichst effizient laden zu können, sollten beide Spulen möglichst genau übereinander positioniert sein. Unsere Tests ergaben, dass ein kleiner Versatz von rund zehn Zentimetern sich nicht signifikant auf den Wirkungsgrad auswirkt. Darüber hinaus nimmt allerdings die Ladeeffizienz von den im Bestpunkt möglichen 91,5 Prozent deutlich ab", fasst Bastian Mayer zusammen, der das Projekt am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte betreut hat. Durch moderne automatisierte Fahrzeuge kann der Vorgang problemlos selbstständig ausgeführt werden.

Ebenfalls wurde die Wärmeentwicklung beim Ladevorgang in Abhängigkeit von der Spulengrösse untersucht: "Bei einer Ladeleistung von 22 kW und den heutigen Batteriegrössen ist noch keine aktive Kühlung der Fahrzeugspule notwendig. Das kann sich allerdings schnell ändern, wenn die Fahrzeugspulen in Zukunft kleiner und leichter werden oder die Ladeleistung über 22 kW gesteigert wird", so DLR-Ingenieur Mayer. Verantwortlich dafür ist die thermische Masse, die im Projekt BIPoLplus bei einer Fahrzeugspule von 16 kg vergleichsweise gross war und viel Wärme aufnehmen konnte. „Ähnlich verhält es sich mit einem grossen und kleinen Stein auf der Heizplatte. Der kleine Stein mit geringerer thermischer Masse erreicht schneller eine hohe Temperatur. Wird die Sekundärspule also kompakter und ihre thermische Masse sinkt, erwärmt sie sich auch schneller“, erklärt Mayer.

Im Forschungsprojekt hatte die Spule zum Ende einer zweistündigen Ladephase eine Temperatur von rund 100 °C. Das ist laut Bastian Mayer noch ausserhalb des thermisch stationären Zustandes, an dem beispielsweise der Stein auf der Herdplatte nicht mehr heisser werden würde: „Erst bei vollständiger Wärmeabgabe an die Umgebung ist dieser Punkt erreicht. Die in BIPoLplus verwendete Fahrzeugspule hätte diesen Zustand bei rund 120 °C erlangt. Der Schmelzpunkt der Kupferlitze hätte eine höhere Temperatur nicht zugelassen. In Abhängigkeit des verwendeten Materials wären jedoch rund 135 °C möglich."

Hybridfahrzeug induktiv laden

Mit dem 530e wird BMW ab 2018 erstmals eine induktive Ladetechnik zur kabellosen Energieübertragung auf den 9,2-kWh-Lithium-Ionen-Akku im Fahrzeug anbieten. Die rund 40 kg schwere Bodenplatte kann mit dem normalen Haushaltsstrom oder für den schnelleren Ladevorgang mit einem Drehstrom-Anschluss verbunden werden. Die Ladedauer für die Batterie in dem Hybridfahrzeug ist mit dem schnelleren Ladevorgang auf rund 3,5 Stunden bemessen, mit dem herkömmlichen Haushaltsstrom soll sie rund fünf Stunden betragen. Weil beim Laden viel Wärme entsteht, muss die Bodenplatte im Fahrzeugunterboden in Spulennähe mit einem hitzeabweisenden Material versehen werden. Im Vergleich zu Stahl, der sich nicht dafür eignet, weil er den Ladevorgang abbricht, ist Aluminium unproblematisch. Tritt ein Tier zwischen Fahrzeug und Bodenplatte, wird der Ladevorgang zwischenzeitlich unterbrochen, Laub oder dergleichen sollen die Ladefunktion hingegen nicht beeinträchtigen.

Das Hybridfahrzeug ist für rund 3000 bis 5000 Euro um die induktive Ladetechnik erweiterbar.

In der Formel E wird die Technologie bei BMW-Fahrzeugen der i-Reihe genutzt, die zur Sicherung der Strecke und zur ärztlichen Versorgung bei Unfällen eingesetzt werden.

Flächendeckender Ausbau

Der nächste Schritt könnte eine flächendeckende Infrastruktur im öffentlichen Raum sein. Taxis, Busse oder PW könnten dann neben festen Ladezeiten bereits bei kurzen Zwischenstopps mit Energie versorgt werden. Doch bis dahin muss sich der Markt für induktive Ladetechniken noch deutlich erweitern.

Als erster Wissenschaftler beschäftigte sich Nikola Tesla um 1900 mit der drahtlosen, kontaktlosen Energieübertragung und diente dem gleichnamigen Elektromobilhersteller nebenbei bei der Namensnennung. Er erzeugte ein pulsierendes Magnetfeld, indem er in einer Spule elektrischen Wechselstrom erzeugte, woraufhin in einer zweiten Spule ebenfalls Strom floss.

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Kommentare

  • Stefan

    22.06.2017 22:15:10

    91.5 % Effizienz wäre gut. Hier würde ich gerne noch mehr wissen - z.B. wie dies gemessen wurde und dies im Vergleich zu leitungsgebundener Ladung sich verhält.
    Fragt sich, ob sich das Zusatzgewicht bei Hybriden lohnt. Zusätzlich zu 2 Motortechnologien hat das Auto dann auch noch 2 Ladetechnologien mit entsprechendem Gewicht an Bord - und dies für nur einen kleinen Anteil der Fahrleistung.

  • hannes ninck

    23.06.2017 11:25:11

    Eine interessante Weiterentwicklung für Elektromotoren
    lg Christian

  • Bastian Mayer

    03.07.2017 16:49:34

    Die Angabe des Wirkungsgrads bezieht sich auf die Strecke zwischen dem dreiphasigen Netzanschluss und der Batterie. Da es sich hier um ein System aus einem Forschungsprojekt handelt, ist ein Vergleich mit momentan erwerblichen kabelgebundenen 22kW-Ladern schwierig.

  • Peter Grüninger

    12.08.2017 12:06:31

    8.5 % Verlustleistung bei mehreren Autos in einer Garage entsprechen einer gewaltigen Heizleistung.
    Leider wurde keine Angabe über den cos Phi gemacht.

  • Bastian Mayer

    11.09.2017 10:42:09

    Vielen Dank Herr Grüninger, gerne beantworte ich Ihre Frage.
    Das in BIPol+ entwickelte induktive Ladesystem ist für den halböffentlichen Raum gedacht. Darunter kann natürlich auch eine Tiefgarage oder ein Parkhaus eines Supermarkts etc. fallen. Grundsätzlich ist das angesprochene Problem der Abwärme für induktive Ladesysteme nicht spezifisch. Das heisst, auch kabelgebundene Ladesysteme unterliegen ebenfalls einer solchen Problematik. Allerdings fällt bei BIPol+ der grösste Teil der Abwärme in der Infrastruktur an. Fahrzeugspule und Fahrzeuggleichrichter sind mit ungefähr 700 W nur gering an den Verlusten beteiligt. Die restlichen 1170 W entstehen in der Infrastruktur im Frequenzumrichter. Diese wurde in unserem Projekt wassergekühlt. Falls mehrere Ladestationen mit 22 kW betrieben werden sollen, könnte ich mir gut vorstellen, dass diese z.B. in die Warmwasserversorgung eingebunden werden.

    Der Leistungsfaktor beträgt im Bestpunkt 0,9148. In der Infrastruktur wurde bereits eine Blindleistungskompensation vorgesehen, die auch für die Netzqualitätsverbesserung vorgesehen ist. Dies war allerdings der Anteil der EnBW und des KIT im Projekt.