Kabelloses Ladesystem für Elektrofahrzeuge mit hohem Wirkungsgrad

7. Juli 2013, 19:35
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Hochfrequentes Magnetfeld zwischen zwei Spulen überträgt effizient Strom in beide Richtungen

Ein neues induktives Ladesystem für Akkus von Elektrofahrzeugen könnte in Zukunft den lästigen Kabelsalat ersparen. Wissenschafter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiet ISE in Freiburg haben ein hocheffizientes System zur kabellosen Stromübertragung entwickelt. Der Energietransfer an die Fahrzeugbatterie erfolgt dabei kontaktlos über ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen. Die stationäre Spule wird in die Straße oder den Parkplatz eingelassen, während die zweite, mobile Spule in den Fahrzeugboden integriert wird.

Die ersten Prototypen des Ladesystems erwiesen sich als sehr effizient: Sie erzielten einen Wirkungsgrad für die induktive Übertragungsstrecke von 97,4 Prozent bei einem Spulenabstand von 13 cm. Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW.

Laden per Magnetfeld

Die Freiburger Wissenschaftler haben dafür einen resonanten leistungselektronischen Wandler entwickelt. Dieser 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. Die geringen Schaltverluste der SiC-Transistoren erlauben eine hohe Taktfrequenz von 100 kHz, wodurch der mechanische Aufbau sehr kompakt und deutlich leichter wird als bei konventionellen Geräten. Weitere Verluste konnten durch die Optimierung der Spulen und des Resonanzkreises minimiert werden. Durch Kompensation mit speziellen Kondensatoren auf stationärer wie mobiler Seite wurde der Blindleistungsbedarf der Spulen und ihres Streufeldes kompensiert. Auch zwischen der Leistungselektronik und den Spulen muss keine Blindleistung ausgetauscht werden.

Kurze Ladezeiten

Mit Hilfe eines bidirektionalen Wechselrichters arbeitet das System durchgehend in beiden Richtungen und kann sowohl Strom aus dem Netz ins Fahrzeug übertragen, als auch den zwischengespeicherten Strom aus der Fahrzeugbatterie ins Netz zurückspeisen. Für das so entstehende Gesamtsystem geben die Forscher einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent an. Die maximal übertragbare Leistung bei den Prototypen liegt bei 22 kW. Damit ist es möglich, eine übliche Elektrofahrzeugbatterie in weniger als einer Stunde auf 80 Prozent ihrer Nennkapazität zu laden. (red, derStandard.at, 07.07.2013)

  • Prototyp einer rund 70 Zentimeter großen Spule.
    foto: fraunhofer ise

    Prototyp einer rund 70 Zentimeter großen Spule.

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