Elektrofahrzeuge kabellos laden und entladen

Es regnet in Strömen. Wer jetzt ein dickes unhandliches Kabel zwischen Elektrofahrzeug und Ladesäule einstecken muss, wird patschnass. Doch es nützt nichts, die Batterie des Elektroautos ist leer. Weitaus bequemer lädt man das Auto mit kabellosen induktiven Ladesystemen: Dabei wird die Energie durch die Luft übertragen, genauer gesagt über ein zeitveränderliches Magnetfeld.

Herzstück der Technologie sind zwei Spulen – eine ist in der Straße, auf dem Parkplatz oder in der Garage integriert, eine zweite am Unterboden des Autos. Die Spulen bilden – in Kombination mit entsprechenden Kondensatoren – eine Art resonantes »Antennensystem zur Energieübertragung«. Je näher die beiden Spulen beieinander liegen, desto effizienter wird die Energie übertragen.

Hoher Wirkungsgrad, bidirektionales Laden

Forscher am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel haben solche induktiven Ladesysteme nun kostengünstiger gestaltet. »Wir nutzen bewusst Standardkomponenten, die bereits auf dem Massenmarkt verfügbar sind«, erläutert Dipl.-Ing. Marco Jung, stellvertretender Abteilungsleiter für Stromrichtertechnik am IWES. Zudem verwenden die Forscher Spulensysteme, die mit weniger Ferritplatten auskommen.

Die Platten dienen zur Führung und Abschirmung des magnetischen Feldes und sind aufgrund des enthaltenen Eisenoxids recht schwer. Darüber hinaus sind sie teuer. Durch die Reduktion des Ferritmaterials werden die Spulen nochmals leichter und preiswerter.

Ein weiterer Vorteil: Dank der speziell ausgelegten Leistungselektronik und Spulensysteme funktioniert das System auch dann mit einem sehr guten Wirkungsgrad, wenn die Spule im Auto etwa 20 Zentimeter von der Spule in der Straße entfernt ist.

»Selbst bei einem Luftspalt von 20 Zentimetern erreichen wir einen Wirkungsgrad von 93 bis 95 Prozent – und das über den kompletten Leistungsbereich von 400 Watt bis 3,6 Kilowatt«, erklärt Priv.-Doz. Dr.-Ing. René Marklein, Projektleiter am IWES. »Vergleichbare Systeme erreichen solch hohe Wirkungsgrade nur bei einem kleineren Abstand, was den Einsatz bei Fahrzeugen mit größerer Bodenfreiheit einschränkt.«

Während die Spulen in der Straße und im Unterboden des Autos integriert sind, wird das Ladesystem im Fahrzeug mitgeführt. In ihm ist die Elektronik untergebracht sowie Anschlüsse für verschiedene Ladekabel. Die Wissenschaftler haben es so ausgelegt, dass es dem Fahrer maximale Flexibilität erlaubt: Es ermöglicht nicht nur das induktive Laden, sondern verfügt auch durch ein multifunktionales Systemkonzept über einen ein- und einen dreiphasigen Netzanschluss. So kann der Fahrer das Fahrzeug auch an einer üblichen Steckdose oder einer Ladesäule auftanken.

Das Ladesystem kann die Batterien nicht nur »füllen«, es kann sie auch entladen – und somit unter anderem zur Stabilität des allgemeinen Stromnetzes beitragen. Das Prinzip: Strahlt die Sonne vom Himmel oder bläst der Wind kräftig übers Land, liefern Solarzellen und Windräder oftmals mehr Energie, als momentan benötigt wird.

Wird allerdings zu viel Strom in das Netz eingespeist, könnte die Spannung ansteigen und elektrische Geräte eventuell zerstören. Netzbetreiber drosseln daher bei guter Wetterlage die Leistung, die Solar- und Windanlagen in die Netze einspeisen. Würde man jedoch die Batterien der Autos als Zwischenspeicher nutzen, ließe sich der überschüssige Strom »aufbewahren« und bei Flaute oder wolkenverhangenem Himmel wieder ins Netz einspeisen und so der Anteil der erneuerbaren Energien am Strom-Mix weiter steigern.

Auf der Internationalen Automobil Ausstellung IAA stellen die Wissenschaftler das kabellose induktive Übertragungssystem vor. Zudem zeigen Fraunhofer-Forscher weitere Lösungen rund um das Thema Elektromobilität – angefangen von dem Antriebsstrang mit luftgekühltem Radnabenmotor über das Leichtbauenergie-Pack bis hin zu Hochleistungs-Speichermodulen.

Weitere Fraunhofer-Projekte zu kabellosem Laden

Ladespulen am Nummernschild

Üblicherweise werden Induktionsplatten beziehungsweise Spulen in Parkbuchten integriert. Da sie hohe Ströme übertragen, können sich Gegenstände und Tiere unter dem Auto aufheizen. Beispielsweise könnten Katzen, die gern unter dem Auto sitzen, verletzt werden. Deshalb haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für integrierte Systeme und Bauelementtechnologie IISB in Erlangen eine Alternative zur Induktionsplatte im Boden entwickelt:

Dabei wird das Auto an der Fahrzeugfront in der Nähe des Nummernschilds mit Energie versorgt. Kern der Entwicklung ist eine Ladesäule, auf die das Auto bis auf einen kleinen Abstand heranfahren kann. Dadurch kann ein sehr kostengünstiges und leichtes Ladesystem mit nur 3 Kilogramm bei 3,7 Kilowatt Ladeleistung realisiert werden. Sollte der Pkw die Säule zu stark berühren, klappt sie weg – so werden Schäden am Fahrzeug vermieden.

Auftanken während der Fahrt

Elektroautos haben nur eine begrenzte Reichweite. Künftig könnten die Autos jedoch während der Fahrt geladen werden: Forscher von den Fraunhofer-Instituten für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI haben eine 25 Meter lange Versuchsstrecke aufgebaut, bei der die Spulen in die Fahrbahn eingearbeitet wurden.

Unterstützt wurden sie vom Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur und zwei weiteren Projektpartnern. Mit Erfolg: Das Demonstrator-Fahrzeug FreccO, ein zum Elektrofahrzeug umgebauter Sportwagen, konnte die Stecke bereits in moderatem Tempo entlang fahren und gleichzeitig seine Batterie aufladen.

Weitere Informationen zu Fraunhofer auf der IAA:
http://www.fraunhofer.de/de/veranstaltungen-messen/messen/fraunhofer-auf-de-IAA-2015.html

http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2015/August/elektrofahrze…