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Batterie-Ladetechnik Laden statt stecken macht Elektromobile „wireless“

Redakteur: Wolfgang Leppert

Auch mit standardisiertem Stecker ist die aktuelle Plug&Wire-Lösung zum Aufladen der Autobatterie nicht besonders anwenderfreundlich, kompliziert zu handhaben sowie verbunden mit schmutzigem Ladekabel und langen Ladezeiten. Kabelloses induktives Laden, wie man es etwa von der elektrischen Zahnbürste kennt, verspricht Abhilfe — zumal es selbst bei kurzen Stopps wie an der Ampel funktioniert.

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Das Übertragersystem JLIC22 steht für kabelloses induktives Laden der Autobatterie
Das Übertragersystem JLIC22 steht für kabelloses induktives Laden der Autobatterie
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Feldversuch mit 50 Testfahrzeugen hat in Berlin gezeigt, dass die öffentlichen Ladestationen — auch wenn sie bekannt waren — von den Testfahrern eher selten genutzt wurden. Ein Grund dafür: mangelnder Komfort, zum Beispiel beim Auspacken des Kabels oder beim Verstauen eines verschmutzten Kabels, noch dazu bei Regen oder Schnee. Studien belegen, dass das Ladekabel mindestens 5 m lang sein müsste, um in jeder Parksituation die Ladesäule zu erreichen. Damit aber steigt auch das Gewicht. Weitere, bislang unterschätzte Probleme sind Vandalismus an der Stromtankstelle oder – aufgrund des Kupferpreises – auch der Diebstahl des Kabels, wenn es beim Ladevorgang abgeschnitten werden sollte sowie weitere Sicherheitsaspekte. Um Elektrofahrzeuge mit dem Stromnetz effizient und anwenderfreundlich zu verbinden, entwickelte die J. Lasslop GmbH mit Weiers und Partner das induktive Ladesystem JLIC, das Energie und/oder Daten auch über größere Distanzen hinweg übertragen kann.

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Für die Industrie gibt es von Lasslop bereits seit Jahren kontaktlose Lösungen, beispielsweise für Schleifringe, potentialfreie, wasserdichte oder Ex-geschützte Geräte und Mobilteile, bei denen es bislang nicht möglich war, eine Steckverbindung zu realisieren. Und schon lange werden fahrerlose Transport-Systeme (FTS) über in den Boden eingelassene Induktionsbahnen kontaktlos während der Fahrt dynamisch aufgeladen. In der Medizin schließlich werden Implantate heute berührungslos durch die Haut hindurch geladen. Und auch im Alltag haben viele kontaktlose Anwendungen längst einen festen Platz: so etwa die elektrische Zahnbürste, Rasierapparate, Handys und sogar Kinderspielzeug.

Ein Wirkungsgrad bis zu 97 Prozent spricht für sich

Bei der Entwicklung einer Lösung zum Laden der Autobatterie standen von vornherein der Benutzerkomfort und eine hohe Effizienz im Vordergrund. Die beiden hessischen Unternehmen verzichteten zudem gänzlich auf mechanische Konstruktionen (z.B. Absenkautomatik), da Bauteileverschleiß und Wartung auch die Kosten erhöhen würden. Über alle elektrischen Systeme hinweg, also die gesamte Übertragungsstrecke einschließlich der Leistungselektronik konnte schließlich mit den robusten JLIC-Systemen ein Wirkungsgrad bis zu 97 Prozent erreicht werden. Das eigentliche System ist unsichtbar und verbindet höchsten Komfort mit bekannter Technik.

Induktives dynamisches Laden wie bei FTS funktioniert schon heute in begrenzten Bereichen bestens. Für eine flächendeckende Ausstattung aller Straßen wären jedoch Ressourcen und Bodenschätze (wie z.B. Kupfer) in sehr großer Menge notwendig. Zugleich wären Fahrbahnen mit Induktionsschleifen bei Reparaturen nicht nutzbar oder müssten sogar völlig erneuert werden, da die Kupferleitungen in der Fahrbahn nur in geringer Tiefe eingebracht sind. Eine Lösung wäre der Bau einer zweiten Parallel-Strecke, was jedoch weitere Rohstoffe und Ressourcen binden würde. Andererseits ist es heute schon machbar, den bidirektionalen Energie-Transfer (V2G) und auch den Austausch von Daten zur Kommunikation für Sicherheits- sowie für Abrechnungssysteme zu ermöglichen.

Den idealen Transformator gibt es nur in der Theorie

Stellt man die unterschiedlichen Technologien der Energieübertragung gegenüber, so wird schnell deutlich, dass die induktive Energieübertragung bzw. transformatorische Kopplung mit ihrem hohen Wirkungsgrad auch die meisten Vorteile bietet. Die induktive Übertragung erfolgt nach dem Transformatorprinzip. Beim idealen Transformator verlässt der magnetische Fluss bekanntlich nicht den Magnetkern, d.h. es gibt — in der Theorie — keine Übertragungsverluste. Einen idealen Transformator zu bauen, ist zwar der Wunsch vieler Techniker der Leistungselektronik, aber aufgrund vielfältiger Verlustleistungen, in der Praxis so nicht umzusetzen, da sich die Gesamtverluste eines HF-Transformators aus mehreren Faktoren zusammensetzen.

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.

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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