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Batterie-Ladetechnik

Laden statt stecken macht Elektromobile „wireless“

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Im Kern eines idealen Transformators werden alle Magnetischen Feldlinien gebündelt. Damit ist die Anzahl der Feldlinien in der Primärspule genau gleich mit der Anzahl in der Sekundärspule. Schneidet man nun den Transformator auseinander, gilt dies jedoch nicht mehr. Es bilden sich außerhalb der Primärspule Feldlinien, die nicht in der Sekundärspule ankommen und damit für eine effiziente Leistungsübertragung auch nicht mehr zur Verfügung stehen. Das Streufeld dieser Feldlinien definiert die Verlustleistung, die den Wirkungsgrad von 100 Prozent eines idealen Transformators entsprechend reduziert. Es gilt: je größer das Streufeld, desto mehr Feldlinien erreichen die gegenüberliegende Spule nicht, desto höher ist die Verlustleistung und desto geringer wird der Wirkungsgrad.

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Für eine weitere Optimierung wurde unterstellt, dass sich die beiden gegenüberliegenden Transformatoreinheiten auf einer Achse befinden. Durch ein entsprechendes „Magnetic Design“ von Spule und Kern wird es jetzt möglich, die Kopplung zu verbessern und möglichst viele Feldlinien aus der Primärspule in die Sekundärspule zu überführen. Der Abstand zwischen den Spulen wird so definiert, dass bei möglichst deckungsgleichen Spulen eine definierte Streuinduktivität erreicht wird. Bei dem kontaktlosen Übertragersystem JLIC22 beispielsweise beträgt der Abstand zwischen den beiden Übertragereinheiten 85 mm. Werden nun Kern und Kupferwindungen in Form, Lage und Drahtauswahl optimal gestaltet und entsprechend hergestellt, ist es möglich, einen fast idealen Transformator mit einem Wirkungsgrad von 99 Prozent zu realisieren.

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Ladevorgang weitgehend unabhängig von Größe und Gewicht des Fahrzeugs

Abweichungen in der Überdeckung von primärer (SPTU) und sekundärer Einheit (SMTU) — z.B. Abstand oder Grad der Überdeckung — werden über die Frequenz und Leistungsregelung des Systems automatisch korrigiert. Der erzielte hohe Wirkungsgrad bleibt dabei konstant. Das bedeutet konkret, dass Abweichungen aufgrund des Gewichts oder der Größe eines Fahrzeuges (beladen/unbeladen, PKW/LKW) oder dessen Positionierung über der Ladezone lediglich eine geringe Rolle spielen. Die JLIC-Übertragersysteme regeln derzeit Abstände bis zu 400 mm. Um beispielsweise die Verschiebung der Platten gegeneinander zu vergrößern, könnte der Ausgleich erfolgen, indem die Primärspule größer auslegt wird.

Die JLIC-Übertragersysteme werden derzeit mit Übertragungsleistungen von 20 W bis 500 kW angeboten. Sie arbeiten im unteren und mittleren Frequenzband bei Frequenzen von 15-25 kHz. Bei einem Plattenabstand von 250 mm sowie ab einem horizontalen Radius von 450 mm um die Platten, erreicht das System eine Feldstärke < 6,25 µT und erfüllt so die bislang gültigen Sicherheitsgrenzwerte. Der Umrichter hat in seiner Regelung zudem ein eigenes Sicherheitssystem, das die Leistung je nach Störfall reduziert und bei Problemen sogar ganz abschaltet.

Verschiedene Varianten sorgen für Flexibilität

Die primäre SPTU ist üblicherweise im Boden versenkt – unsichtbar und somit vor Vandalismus geschützt. Die mobile SMTU-Platte mit einem Gewicht von ca. 1500 g und einer Abmessung von 300 x 200 x 30 mm kann ohne Abstand direkt auf das Unterbodenblech (1 mm) des Fahrzeugs aufgebracht werden. Für eine OnBoard-Lösung ist keine weitere Elektronik erforderlich, das System wird direkt an die Batterie geklemmt. Andere Montagevarianten wären z.B. in Höhe des Nummernschilds an der Wand oder der Decke eines Parkhauses in Kombination mit einer Fahrzeugdach-Montage der mobilen Einheit. Da keine mechanischen Kontakte verwendet werden, sind beide Einheiten nach der Installation praktisch verschleiß- und wartungsfrei. Das System wird für den Ladeprozess freigeschaltet, wenn die Sicherheit gegeben und das Abrechnungssystem entsperrt ist. Die Kommunikationsschnittstellen dafür sind vorhanden.

In vielen ländlichen Bereichen werden wahrscheinlich keine öffentlichen induktiven Ladestationen flächendeckend verfügbar sein. In diesem Fall kann bei einem J-LIC22-System über die “OnBoard”-Lösung und das Haushaltsstromnetz relativ einfach AC an den Sekundärausgang des Transformators in die Batterie eingespeist werden. Eine bidirektionale kontaktlose Energieübertragung, also die Nutzung der Autobatterie als Transfermedium zum Einspeisen ins Stromnetz, auch bekannt als “power-to-the-grid”, ist seit einiger Zeit im praktischen Test. Schon jetzt ist gesichert, dass auch hier die hohe Effizienz der One-way-Übertragung in beide Richtungen erreicht wird.

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