Schnelles Laden ohne Kabel macht Elektroautos attraktiver
Schluss mit Ladekabel und endlosem Warten, bis die Batterie im Elektroflitzer wieder genug Saft hat. Fraunhofer Forscher haben ein kontaktloses induktives und dabei hocheffizientes Ladesystem für Elektrofahrzeuge entwickelt. Die technische Infrastruktur verschwindet dabei im Straßenbelag.
Der Prototyp einer Spule zur kontaktlosen Energieübertragung.
Foto: Fraunhofer ISE
Ein Riesenhemmschuh für den Siegeszug der Elektromobilität auf Deutschlands Straßen ist die Lade-Infrastruktur. Ohne flächendeckendes Angebot an Ladestationen ist das Ziel der schwarz-gelben Regierungskoalition, bis zum Jahr 2020 in Deutschland eine Million Elektroautos auf die Straßen zu bringen, kaum zu erreichen. Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben ein hocheffizientes kabelloses induktives Ladesystem für Elektrofahrzeuge entwickelt.
Spulen im Asphalt und im Fahrzeugboden sind das Herzstück
Herzstück dieses induktiven Ladesystems sind zwei Spulen – die eine sitzt stationär in der Straße oder im Asphalt des Parkplatzes, die andere sitzt im Boden des Elektrofahrzeugs. Da die Energie in diesem System per Induktion über ein Magnetfeld von Spule zu Spule übertragen wird, gibt es kein Ladekabel mehr. „Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen erhöht nicht nur den Komfort für den Nutzer, sondern ermöglicht auch eine effiziente und vom Nutzer unabhängige Verbindung des Fahrzeugs mit dem Stromnetz“, so Stefan Reichert, Teamleiter „Netzintegration und Elektromobilität“ am Fraunhofer ISE.
Beeindruckend ist bei diesem kabellosen System die Effizienz. Die ersten Prototypen des neuen Ladesystems erzielten einen Wirkungsgrad für die induktive Übertragungsstrecke von 97,4 Prozent. Der Spulenabstand betrug bei diesen ersten Prototypen 13 Zentimeter. Die übertragene Leistung beträgt bis zu 22 KW. Damit lässt sich eine normale in Elektrofahrzeugen heute verbaute Batterie in weniger als eine Stunde auf 80 Prozent ihrer Nennkapazität aufladen. Stundenlanges Warten am Ladekabel entfällt und das macht die Elektromobilität ein Stück attraktiver.
Induktives Ladesystem ist sicherer und gut für das Stadtbild
Nicht nur das: Es entfallen auch die Ladesäulen, die bei einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur an jeder Ecke herumstehen würden und auch wiederum anfällig für Vandalismus wären. Die Ladeinfrastruktur in den Straßenbelag zu integrieren, dürfte ein hohes Maß an Sicherheit mit sich bringen und vor allen im urbanen Raum gut für das Stadtbild sein.
Die Kompetenz für den Aufbau eines induktiven Ladesystem ist gebündelt im Rahmen des Fraunhofer-Verbundprojektes „Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur“ (GeMo), in dem das Freiburger ISE einer der sechs Verbundpartner ist. GeMo hat das Ziel, die energetischen und informationstechnischen Schnittstellen zwischen Nutzern, Fahrzeugen und Infrastruktur zu erforschen.
Resonanten leistungselektrischen Wandler entwickelt
Das ISE hat alle für die kontaktlose Energieübertragung notwendigen leistungselektronischen Wandler, das Spulensystem und die komplette Regelungstechnik entwickelt und aufgebaut. Dabei haben die Wissenschaftler großen Wert auf eine hohe Effizienz aller Systemteile gelegt. So haben sie einen resonanten leistungselektrischen Wandler entwickelt, der mit Hilfe eines Resonanzkreises und der stationären Spule ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, welches die Leistung an die mobile Spule im Elektrofahrzeug überträgt. Ein weiterer Wandler macht aus dem hochfrequenten Spulenstrom Gleichstrom, der dann in die Batterie im Fahrzeug fließt.
Durch Induktionsschleifen im Boden würden Ladesäulen im Stadtbild überflüssig.
Quelle: TÜV Süd / E.On
Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) kamen bei den leistungselektronischen Wandlern zum Einsatz. Die geringen Schaltverluste der SiC-Transistoren erlauben hohe Taktfrequenzen von 100 kHz. So konnte insgesamt die Effizienz der Wandler gesteigert werden und der mechanische Aufbau sehr kompakt und deutlich leichter werden, als dies bei konventionellen Geräten der Fall ist.
Strom kann fast verlustfrei in beide Richtungen fließen
Die Freiburger Forscher haben ihr induktives Ladesystem bidirektional ausgelegt, das heißt: Der Strom kann von der stationären Spule in die Batterie fließen und umgekehrt, von der Batterie in die stationäre Spule. Das Ladesystem verfügt über einen bidirektionalen Wechselrichter zur Anbindung des stationären Teilsystems an das Netz sowie einen bidirektionalen Wechselrichter zur Anbindung des mobilen Teilesystems an die Batterie. Auf diesen Weg lässt sich der im Fahrzeug zwischengespeicherte Strom zurück in das Netz einspeisen. Ein Weg in Richtung intelligentes dezentrales Energienetz, von dem im Kontext der Energiewende immerzu die Rede ist.
Den Wirkungsgrad des Gesamtsystems geben die Freiburger Forscher mit 95 Prozent an. Dieser Wert ist ziemlich gut, vor allem, da die Freiburger Forscher diesen Wert mit den ersten Prototypen des induktiven Ladesystems erzielt haben. Die ersten praxistauglichen induktiven Ladesysteme für den Einsatz in der Straße dürften daher noch deutlich effektiver sein.
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