Ohne Kabel: Induktives System lädt Elektro-Fahrzeuge beim Parken

Tankstellen und Ladestationen gehören bald der Vergangenheit an. Die Zukunft gehört induktiven Ladesystemen, die unterirdisch in die Straßen und Parkplätze integriert werden können. Elektrofahrzeuge werden dann beim Parken aufgeladen, ganz ohne Kabel oder Zapfsäule.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben eine Methode entwickelt, mit der Elektrofahrzeuge ganz ohne sichtbare Station aufgeladen werden können. Das System zur induktiven Ladung überträgt die Energie an die Fahrzeugbatterie kontaktlos über ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen. Die stationäre Spule wird in die Straße oder den Parkplatz eingelassen. Die zweite Spule wird in den Fahrzeugboden integriert. Eine Kabelverbindung wird überflüssig.

Die ersten Prototypen des Ladesystems leisten vielversprechende Arbeit: Sie erzielten einen Wirkungsgrad von 97,4 Prozent bei einem Spulenabstand von 13 cm. Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW. „Bei einer Ladeleistung von 22kW lässt sich eine Batterie mit 27,5 kWh innerhalb von einer Stunde zu 80 Prozent laden“, sagte Stefan Reichert vom Fraunhofer ISE den Deutschen Mittelstands Nachrichten.

Der leistungselektronische Wandler erzeugt mit Hilfe des Resonanzkreises und der stationären Spule ein hochfrequentes Magnetfeld, welches die Leistung an die mobile Spule im Elektrofahrzeug überträgt. Ein weiterer Wandler formt den hochfrequenten Spulenstrom wieder in Gleichstrom um und lädt damit die Batterie. Bei allen Arbeiten stand die Optimierung der gesamten Wirkungskette des induktiven Ladevorganges im Mittelpunkt.

Durch den Einsatz neuer Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) konnte die Effizienz der verschiedenen leistungselektronischen Wandler im gesamten Ladesystem erheblich gesteigert werden. So gibt es kaum noch Schaltverluste oder unerwünschte Blindleistung, heißt es in einer Mitteilung des ISE.

Es kann also nicht nur Strom aus dem Netz in die Batterie des Fahrzeuges geladen werden. Dank der Entwicklung eines bidirektionalen Wechselrichters zur Anbindung des stationären Teilsystems an das Netz sowie einen bidirektionalen Wandler zur Anbindung des mobilen Teilsystems an die Batterie ist auch der umgekehrte Weg möglich. Der zwischengespeicherte Strom wird bei Bedarf wieder an das Netz abgegeben. Der Wirkungsgrad für das Gesamtsystem beträgt 95 Prozent.

An eine kommerzielle Vermarktung der Innovation ist zunächst nicht zu denken. Die Kosten für ein Produkt aus dieser Technik „lassen sich schwer abschätzen, da wir hier einen Demonstrator aufgebaut haben, welcher nicht vergleichbar mit einer Serienprodukt-Entwicklung ist“, so Reichert. Eine kommerzielle Nutzung ist von Fraunhofer nicht angestrebt: „Wir verstehen uns als Forschungs- und Entwicklungsdienstleister und wollen mit diesem Projekt Knowhow im Bereich der induktiven Energieübertragung und Ladung von Elektrofahrzeugen aufbauen. Dieses Knowhow bieten wir Firmen an.“

Das kabellose Laden des Elektrofahrzeuges erhöht den Komfort der Nutzer, denn dieser muss nicht unbedingt für den Ladeprozess vor Ort sein. Das Fahrzeug kann bequem auf dem Parkplatz oder in der Garage geladen werden. Auch für den im Fahrzeug sitzenden Fahrer ist der Ladevorgang ungefährlich. Untersuchungen hinsichtlich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) „zeigen, dass wir die EMV-Expositionsgrenzwerte Grenzwerte im öffentlichen Bereich sowie Innenraum nicht verletzen“, sagte Reichert den Deutschen Mittelstands Nachrichten.

Die Ladeleistung der Batterie ließe sich noch weiter steigern, jedoch müssen die EMV-Grenzwerte und Normen bezüglich der Größe der Spule eingehalten werden. Derzeit sei kein Trend abzusehen, in welche Richtung sich die Technik noch entwickelt, sagte Reichert.

Alle für die Energieübertragung wichtigen Wandler und Spulen sowie die Regelungstechnik wurden zu Demonstrationszwecken im Rahmen des Verbundprojekts „Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur (GeMo)“ am Fraunhofer ISE entwickelt und aufgebaut. Das Team hat sich bei der Entwicklung an der bereits existierenden Anwendungsregel für das induktive Laden von Elektrofahrzeugen im kleineren Leistungsbereich (3,5kW) orientiert.

 

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