Kabel ade: Induktives Laden von Elektroautos

  • 07. September 2016

Stromübertragung mittels Spezialspulen – exaktes Parken not­wendig für hohen Wir­kungs­grad.

Was bei kleinen Elektrogeräten wie Mobiltelefonen oder Zahn­bürsten bereits funk­tio­niert, soll bald auch für Elek­tro­fahr­zeuge möglich sein: kabel­loses Laden mit Hilfe induk­tiver Energie­über­tragung. Gemein­sam mit Partnern aus Wissen­schaft und Industrie haben Forscher des DLR im Rahmen des Projekts BiPolplus die dazu benötige Techno­logie unter­sucht.

Induktives Laden

Abb.: Auswertung des Wirkungs­grads beim induk­tiven Laden. (Bild: DLR)

„Induktives Laden ermöglicht es, das Elektroauto auf der Lade­spule zu parken und die Batterie lädt sich dann von selbst auf. Das macht den Lade­vor­gang wesent­lich komfor­tabler und prak­tischer“, fasst Bastian Mayer zusammen, der das Projekt am DLR-Institut für Fahr­zeug­konzepte betreut hat. Der Nutzer muss Kabel und Stecker nicht mehr dabei haben und von Hand an­schließen. Vor allem an öffent­lichen Strom­tank­stellen entfällt die durch das Kabel ent­stehende Stolper­falle, schmutzige, beziehungs­weise beschädigte Kabel sind künftig kein Thema mehr. Induk­tives Laden kann so dazu bei­tragen, die Akzep­tanz alter­nativer Antriebs­konzepte auf Batterie­basis beim Verbraucher zu erhöhen. Inte­res­sant ist die Techno­logie auch im Kontext des auto­mati­sierten Fahrens: Wird der Fahrer zum Passa­gier und nimmt wie beim Taxi­fahren eine Dienst­leistung in Anspruch, will er sich nicht darum kümmern, wie und wo ein Fahr­zeug auf­ge­laden wird. Das auto­mati­sierte Fahrzeug findet die Lade­spule von selbst und parkt sich, wie bereits heute schon tech­nisch möglich, auto­matisch auf der Spule.

Notwendig sind dafür eine Infrastruktur und eine Fahr­zeug­elek­tronik, ähnlich wie beim kabel­gebun­denen Laden, sowie zwei spezielle Spulen, eine im Boden, die andere auf der Unter­seite des Fahr­zeugs. Zwischen den beiden Spulen wird mittels eines magne­tischen Wechsel­felds Strom berüh­rungs­los über­tragen und die Batterie geladen. Technisch möglich sind ein Abstand von mehr als zehn Zenti­metern zwischen den beiden Spulen und eine Lade­leistung von über zwanzig Kilo­watt, was dem heutigen Stand einer Wechsel­strom-Schnell­ladung mit Kabel ent­spricht. Wetter­ein­flüsse wie Schnee und Regen machen dem System nichts aus. Ein klei­neres Elektro­auto, wie zum Beispiel ein E-Smart, kann damit in 45 Minuten voll­ständig geladen werden. Privat­an­wender sollen in Zukunft die Mög­lich­keit haben, solche Systeme in der Garage oder im Stell­platz zu inte­grieren. Inte­res­sant sind induk­tive Lade­möglich­keiten auch im öffent­lichen Raum: Sie werden sich preis­lich in der gleichen Kate­gorie wie Lade­säulen befinden, weitest­gehend unsicht­bar sein und nicht stören, weil sie flach im Boden verbaut werden können. Zudem können sie als zusätz­licher Service für Kunden ange­boten werden, die ihr Auto abstellen, um zum Beispiel im Super­markt ein­kaufen zu gehen.

Induktives Parken

Abb.: Untersuchung am DLR-Test­stand: Wie exakt muss das Auto über der Spule ge­parkt werden? (Bild: DLR)

Bevor induktives Laden flächendeckend Einzug in den Alltag halten kann, gilt es noch einige Fragen zu be­ant­worten: Wie exakt müssen die Spulen über­ein­ander posi­tio­niert sein, um mög­lichst effi­zient laden zu können, sprich wie genau muss der Fahrer oder das auto­mati­sierte Park­system ein­parken? Wie viel Wärme entsteht beim Lade­vor­gang und muss das System even­tuell gekühlt werden? Wie bringt man die Spule am besten im Fahr­zeug unter? Und welche Sicher­heits­aspekte müssen berück­sich­tigt werden, zum Beispiel wenn Gegen­stände oder Lebe­wesen ins Magnet­feld geraten. Außer­dem darf ein solches System auf keinen Fall Herz­schritt­macher oder schlüssel­lose Ent­riegelungs­systeme beeinflussen.

Auf einem eigens für das Projekt entwickelten Teststand haben die DLR-Wissen­schaftler mit einem Porsche Boxster e diverse Fehl­stellungen beim Parken auf der Lade­spule unter­sucht. „Um möglichst effi­zient laden zu können, sollten beide Spulen exakt über­ein­ander posi­tio­niert sein. Unsere Tests ergaben, dass ein kleiner Versatz von rund zehn Zenti­metern sich nicht signi­fi­kant auf den Wirkungs­grad aus­wirkt. Darüber hinaus nimmt aller­dings die Lade­effi­zienz von den im Best­punkt möglichen 91,5 Prozent deut­lich ab“, fasst Mayer zusammen. Ähn­liche Resul­tate zeigte die Unter­suchung, wie sich der Abstand der beiden Lade­spulen auswirkt. Dieser wird maß­geb­lich durch die modell­bedingt Boden­höhe, die kon­struk­tive Unter­bringung der fahr­zeug­seitigen Spule im Unter­boden und die jewei­lige Zuladung des Fahr­zeugs bestimmt. Weiter­hin haben die DLR-Forscher die Wärme­ent­wicklung beim Lade­vor­gang in Abhän­gig­keit von der Spulen­größe betrachtet. „Bei einer Lade­leistung von 22 Kilo­watt und den heutigen Batterie­größen ist noch keine aktive Kühlung der Fahr­zeug­spule not­wendig“, so Mayer. „Das kann sich aller­dings schnell ändern, wenn die Fahr­zeug­spulen in Zukunft kleiner und leichter werden oder die Lade­leistung über 22 Kilo­watt gesteigert wird.“

DLR / RK

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