Elektrofahrzeuge Induktive Ladekonzepte verzichten auf lästige Leitungen

Autor / Redakteur: Nejila Parspour * / Gerd Kucera

Funktionsprinzip und Systemaufbau moderner induktiver Energieübertragungssysteme machen Elektrofahrzeuge konkurrenzfähig, wie ein Projekt für Ladestationen mit 3 und 22 kW unter Beweis stellt.

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Bild 1: Vision der Elektromobilität der Zukunft mit Komponenten, die alle heute schon realisierbar sind.
Bild 1: Vision der Elektromobilität der Zukunft mit Komponenten, die alle heute schon realisierbar sind.
(Bild: Uni Stuttgart Institut für Elektrische Energiewandlung)

Induktives kabelloses Laden kann den Bedienkomfort von Elektrofahrzeugen deutlich verbessern und ihre zur Verfügung stehende Reichweite deutlich vergrößern. Nur Elektrofahrzeuge, deren Leistungsmerkmale wie Reichweite, Bedienkomfort und Zuverlässigkeit konkurrenzfähig gegenüber etablierten Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind, werden mehrheitlich von der Bevölkerung akzeptiert.

Physikalisches Funktionsprinzip

Bild 1 zeigt die Vision der Mobilität der Zukunft mit Komponenten, die alle heute schon realisierbar sind. Es ist technisch möglich, Elektrofahrzeuge automatisch und ohne mechanischen Kontakt sowohl im Stillstand als auch während der Fahrt zu laden.

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Die Übertragung der elektrischen Energie erfolgt dabei über die magnetische Kopplung zwischen zwei Spulen (Primär- und Sekundärspule), weshalb von induktiver Energieübertragung gesprochen wird. Eine solche Anordnung ist in Bild 2 dargestellt.

Der durch die Primärspule fließende Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Der magnetische Fluss, der die Sekundärspule durchsetzt (der Hauptfluss), induziert nach dem Induktionsgesetz in der Sekundärspule eine Spannung, sodass die in die Primärseite eingeführte elektrische Energie über die Zwischenwandlung in die magnetische Energie im Luftspalt auf die Verbraucher in der Sekundärseite übertragen wird.

Der zwingend beim kabellosen Laden vorhandene relativ große Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule führt zu magnetischen Streuflüssen, die in der Größenordnung des für die Energieübertragung verantwortlichen Hauptflusses sind.

Diese Gegebenheit reduziert zunächst einmal die Güte der Übertragung. Um die Übertragungsgüte zu erhöhen, schaffen zwei Maßnahmen Abhilfe: die sogenannte Blindleistungskompensation mittels Kapazitäten und der Einsatz von hohen Frequenzen im kHz-Bereich.

Systemaufbau und Betrieb der Energieübertragungsstrecke

Begrenzende Faktoren bei der Energieübertragung sind: maximal einstellbare Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter, Spannungsfestigkeit der Kondensatoren, Skin- und Proximity-Effekt sowie parasitäre Kapazitäten in den Wicklungen, Eisenverluste in den flussführenden Komponenten und Schirmungen, die maximal zulässige Stromdichte und die elektromagnetischen Grenzwerte zum Schutz aller Lebewesen.

Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau einer induktiven Energieübertragungsstrecke. Die Hauptkomponenten der Strecke sind nach der Gleichrichtung der Netzspannung ein Wechselrichter, die Kompensationsschaltung und eine Spule auf der Primärseite und eine gekoppelte Spule auf der Sekundärseite, die Sekundärkompensation und ein Gleichrichter. Gegebenenfalls ist hier noch ein Umrichter notwendig, falls der Verbraucher Wechselstrom benötigt.

Der Umrichter auf der Eingangsseite stellt Betriebsfrequenzen im Bereich von 20 bis 140 kHz bereit. Die Blindleistungskompensation erfolgt mittels Kondensatoren, die jeweils parallel bzw. seriell (je nach Anforderungen der Anwendung und der gewünschten Systemeigenschaften) zu den Spulen geschaltet werden.

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