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Induktive Ladesysteme

Eine barrierefreie Alternative zu Kabel und Stecker

Induktive Energieübertragungssysteme gehören heute in vielen Bereichen zum Stand der Technik. So werden sowohl mobile Kleingeräte (z.B. elektrische Zahnbürsten) als auch mobile Verbraucher in Industrie und Gewerbe (z.B. autonome Flurförderfahrzeuge) induktiv mit elektrischer Energie versorgt. Bei Elektrofahrzeugen können diese kontaktlosen Übertragungssysteme zukünftig zu einer wichtigen Alternative zu konduktiven (d.h. kabelgebundenen) Ladesystemen werden.

Der kontaktlose Energietransfer eines induktiven Übertragungssystems funktioniert über die magnetische Kopplung einer stationären primären Einheit mit einem oder mehreren mobilen, sekundären Empfängern. Das physikalische Wirkungsprinzip induktiver Energieübertragungssysteme entspricht dem elektrischer Transformatoren. Da von der primären Seite zur sekundären Seite eine Potentialtrennung erfolgt, gewährleisten induktive Übertragungssysteme ohne Mehraufwand die für viele Energiesysteme wichtige Schutztrennung zwischen Netz und Verbraucher. Zu den weiteren Vorteilen induktiver Energieübertragungssysteme zählen die unkomplizierte Nutzung, Umweltfreundlichkeit, geringe Wartungskosten sowie eine lange Lebensdauer.

Um eine Ladestation für ein Elektrofahrzeug aufzubauen, werden die Leistungselektronik und die in der primären Einheit vorhandene Wicklung in den Boden eines Parkplatzes eingelassen, so dass das Gesamtsystem gegen Verschmutzung, eindringendes Wasser und Vandalismus geschützt ist. Am Fahrzeugunterboden befindet sich die sekundäre Einheit, in der die magnetische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt und anschließend dem Bordnetz zur Verfügung gestellt wird. Das Straßenbild wird so durch den Einsatz dieser Ladestationen unter die Erdoberfläche nicht verändert, was z.B. bei historischen Stadtbildern von großer Bedeutung ist. Der barrierefreie Zugang zu dieser Technologie (d.h. Parken und ein sofort und automatisch startender Ladevorgang) gewährleistet auch, dass z.B. Menschen mit einer körperlichen Beeinträchtigung sehr einfach Strom für ihr Elektroauto »tanken« können.

Die genannten Vorteile bieten die Möglichkeit, dass induktive Ladesysteme zu einer höheren Nutzerakzeptanz elektrischer Fahrzeuge beitragen können.

Die Kopplung der induktiven Übertragung ist in der Regel sehr gering. Gleichzeitig ist der durch die Wicklungen erzeugte magnetische Fluss durch die großen Luftspalte sehr klein. Die Übertragung einer hohen Leistung ist daher nur mit einer relativ hohen Betriebsfrequenz möglich. Die Betriebsfrequenz ist in der VDE-Anwendungsregel (VDE-AR-E-2122-4-2) auf Werte im niedrigen dreistelligen kHz-Bereich (z.B. f=140kHz) festgelegt. Das gesamte Übertragungssystem besteht neben der induktiven Primär- und Sekundäreinheit aus einer primären Leistungselektronik, die die Netzspannung in eine höherfrequente Wechselspannung (d.h. auf Betriebsfrequenz) wandelt. Des Weiteren benötigt das System einen sekundär angeordneten Gleichrichter, der die Spannungsversorgung für die Fahrzeugbatterie sicherstellt.

Induktive Übertragungssysteme werden bei Resonanzfrequenz betrieben, d.h. die durch die induktiven und kapazitiven Bauelemente des Systems erzeugte bzw. aufgenommene Blindleistung wird insgesamt auf ein Minimum (nahezu Null) reduziert. Passive kapazitive Bauelemente in Form von Kondensatoren werden benötigt, da ansonsten die durch die systembedingt sehr großen Induktivitäten des Übertragungssystems benötigte Blindleistung die übertragbare Wirkleistung auf nahezu Null begrenzen würde. Für die Ausführung dieser sogenannten Blindleistungskompensation existieren diverse Schaltungsvarianten.

Aktuelle Systeme deutscher und internationaler Hersteller zeigen, dass induktive Ladestationen für Elektrofahrzeuge grundsätzlich funktionieren. Um eine serienmäßige Einführung dieses Systems in den Kfz-Markt zu ermöglichen, müssen diese Systeme optimiert und erweitert werden. Das Arbeitsgebiet Elektromobilität der Bergischen Universität Wuppertal beschäftigt sich intensiv mit der Weiterentwicklung dieser Systeme mit dem Ziel, den Sprung zur Marktreife zu schaffen. So muss z.B. eine korrekte Positionierung von primärer und sekundärer Einheit zueinander gewährleistet sein. Ein exaktes Parken des Fahrzeuges ist nicht unmöglich, aber ein Autofahrer wird in der Regel (zumindest ohne Hilfsmittel) nicht dazu in der Lage sein, das Fahrzeug immer optimal über der Ladestation zu postitionieren. Um Abweichungen zu vermeiden, ist ein Parkassistenzsystem im Auto notwendig, welches mit der Ladestation kommuniziert, um den Einparkvorgang zu steuern und Informationen (z.B. aktueller Ladestand der Batterie, Identifikation des Fahrzeugs, usw.) auszutauschen. Bei den bisher entwickelten Systemen kann eine Leistung von 3,3 kW übertragen werden. Weiterer Entwicklungsbedarf besteht bei der Einhaltung der gesetzlichen und normativen Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). So dürfen z.B. andere elektrische und elektronische Bordkomponenten nicht durch Einkopplungen, verursacht durch das Übertragungssystem, beeinflusst werden. Des Weiteren müssen Feldgrenzwerte in der Umgebung des Fahrzeugs und auch im Fahrzeug eingehalten werden, um eine Beeinträchtigung von Mensch und Umwelt zu vermeiden.

Bisher werden induktive Übertragungssysteme optional für einzelne Elektrokraftfahrzeuge angeboten. Ein weit verbreiteter Einsatz dieser Systeme wird insbesondere durch z.Zt. noch sehr hohe Mehrkosten verhindert. Diese Kosten werden unter anderem durch fehlende Erfahrung und fehlende Technologie für eine kostengünstige Fertigung der notwendigen Komponenten und Systeme in großen Stückzahlen verursacht. Dies wird dazu führen, dass zunächst überwiegend Fahrzeuge des Premiumsegments mit dieser Technologie ausgestattet werden. Diese Markteinführung wird aber zu weiteren Kostensenkungen führen, was nach und nach den Anwendungsbereich des induktiven Ladens vergrößern wird.

In absehbarer Zeit können induktive Ladestationen für Elektrofahrzeuge somit eine sinnvolle Alternative zu konventionellen konduktiven Ladestationen bieten. Große Vorteile wie Vandalismussicherheit und Barrierefreiheit werden vor allem im öffentlichen Raum den Einsatz dieser Technologie fördern.

Sarp Güney Çimen und Prof. Dr. Benedikt Schmülling
Arbeitsgebiet Elektromobilität
Bergische Universität Wuppertal
⇢ www.emobil.uni-wuppertal.de

Veröffentlicht am 20. Juni 2013