Kabellose Energieversorgung: Induktive Stromübertragung für das Elektroauto der Zukunft

Bild: Intis

Smart Traffic & Mobility Induktive Energieübertragung – 
auch während der Fahrt

08.04.2014

Kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen hat zahlreiche Vorteile und muss kein Traum bleiben. Dass es sogar in voller Fahrt grundsätzlich technisch realisierbar ist, hat ein jüngst abgeschlossenes Forschungsvorhaben nachgewiesen.

Elektrizität aus regenerativen Energien wie Wind und Sonne soll zunehmend im Verkehrssektor eingesetzt werden, um den Mineralölanteil zu senken. Dementsprechend hoch sind die Erwartungen an die Elektromobilität. Unabhängig davon, wie Weiterentwicklungen von Batteriespeichern zur Lösung des Reichweitenproblems beitragen werden, bestimmen Zuverlässigkeit und Komfort der Fahrzeugenergieversorgung die Entwicklung des Anteils elektrischer Fahrzeuge am Gesamtfahrzeugbestand mit.

Die induktive Energieübertragung kommt ohne Ladekabel aus. Dem statio­nären induktiven Laden von Elektrofahrzeugen wird eine hohe Effizienz der Leistungsübertragung bescheinigt. Es ist naheliegend, diese a priori nicht ortsgebundene Form der Energieübertragung auch während der Fahrt einzusetzen. Der Technologie- und Testdienstleister IABG ging mit seinem Tochterunternehmen Intis und mit Partnern der Industrie und der Fraunhofer-Gesellschaft der Frage nach, ob, mit welchem Aufwand und mit welchen Eigenschaften die Induktivtechnik für die Energieversorgung von Elektrofahrzeugen nutzbar ist. Die Ergebnisse eines etwa zweijährigen Verbundvorhabens zu dieser Fragestellung sind Grundlage dieses Beitrags. Das Vorhaben lief in der Elektromobilitäts-Modellregion Bremen-Oldenburg, wurde vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert und von der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) koordiniert.

Induktive Energieübertragung

Die induktive Energieübertragung erfolgt über ein magnetisches Wechsel­feld. Hierfür sind mindestens zwei stromdurchflossene Spulen erforderlich. Eine der Spulen befindet sich in der Straße, die zweite im zu versorgenden Fahrzeug. Die beiden Spulen müssen über einen vergleichsweise großen Luftspalt ausreichend magnetisch miteinander gekoppelt sein. Um die geforderte Leistung bei möglichst geringen Querschnitten der Spulenkabel übertragen zu können, ist eine geeignete Frequenz des Stromflusses im Spulensystem zu wählen. Um eine hohe Effizienz der Übertragungskette zu erzielen, werden beide Spulen durch Resonanzbetrieb blindleistungskompensiert. Im Unterschied zu stationären Ladepunkten benötigt das Laden während der Fahrt Spulenabschnitte im gesamten vorgesehenen Straßenbereich, wobei immer nur der Spulenabschnitt stromgespeist wird, in dem sich ein zu versorgendes Fahrzeug befindet. Allerdings ist nicht die gesamte Straße mit entsprechenden Spulen auszustatten. In Abhängigkeit von der Anwendung wird heute von einem Ausstattungsgrad von 5 bis 20 % ausgegangen. In ausgestatteten Bereichen stellt das Übertragungssystem die Energie für die Fortbewegung und für das Nachladen der Fahrzeugbatterie bereit. In nichtausgestatteten Bereichen übernimmt die Fahrzeugbatterie die Energieversorgung. Dementsprechend hat das Übertragungssystem eine adäquate Leistung für die Fahrzeugfortbewegung und für das Nachladen der Fahrzeugbatterie bereitzustellen. Zur Fahrzeugpositionsbestimmung ist ein geeignetes Fahrzeugortungssystem erforderlich.

Auslegung

Elektrofahrzeuge eignen sich schon heute für die Bewältigung von Wirtschaftsverkehrsaufgaben mit vergleichsweise geringen Tageskilometerleistungen und häufigen Stand- und Wartezeiten. Beispielgebend seien hier Taxi-Verkehre, Kurierdienste und der ÖPNV genannt. Für einen wirtschaftlichen Betrieb von Elektrofahrzeugen in diesen Anwendungsbereichen ist die Vermeidung großer Bord-Batteriespeicher wünschenswert oder zwingend. Hier kann die induktive Energieübertragung helfen, da häufiges und unkompliziertes Nachladen der Batterien sowie eine Traktionsenergieversorgung aus der Straße ohne Umweg über die Batterie ermöglicht wird.

Ausgehend von einer Abschätzung des Energiebedarfs von Elektrofahrzeugen für derartige Mobilitätsanwendungen wurden die folgenden Anforderungen zu Projektbeginn spezifiziert:

  • zu übertragende Leistung: 50 kW

  • Effizienz der Leistungsübertragung: > 90%

  • Einhaltung von EMV-Grenzwerten

  • Luftspalt zwischen den Spulen: 15 cm (Kupfer-Kupfer)

  • Verzicht auf ferromagnetische Materialien in der Straße

  • Arbeitsfrequenz des Spulensystems: etwa 40 kHz

  • möglichst geringer Materialaufwand (Kupfer)

  • Unterbringung der Spulen in der Straße im Zuge heute bekannter Straßenbauverfahren

  • weitestgehend wartungsfrei und gegen mutwillige Zerstörung geschützt.

Da die Übertragungsleistung von 50 kW für einige Anwendungen (zum Beispiel für Linienbusse) nicht ausreichend ist, war das Übertragungssystem möglichst so zu gestalten, dass mit der Anordnung mehrerer fahrzeugseitiger Spulen eine höhere Leistung übertragbar ist. Um die geforderte Übertragungsleistung bei hoher Effizienz der Energieübertragung zu erzielen und vorgeschriebene Grenzwerte für äußere Magnetfelder einzuhalten, ist die Wahl eines geeigneten Spulensystems grundlegende Voraussetzung. Geometrische Randbedingungen wie Luftspaltgröße zwischen den Spulen, die geforderte Toleranz der Energieübertragung gegenüber Spulenversatz und die in Fahrzeugen verfügbaren Einbauräume bestimmen die Auslegung ganz wesentlich. Zudem wirkt sich der Materialaufwand für die straßenseitig zu verbauenden Spulen sehr wesentlich auf die System­kosten aus.

Um die Baugrößen und Gewichte insbesondere der fahrzeugseitig zu verbauenden Bauteile klein zu halten, wird eine möglichst hohe Systembetriebsfrequenz angestrebt. Sie lässt sich jedoch nicht unbegrenzt erhöhen, da dies mit zunehmenden Schaltverlusten in aktiven elektronischen Bauelementen und mit zunehmenden Verlusten in Spulenkabeln einhergeht. Die Wahl der Frequenz wird somit zum Ergebnis einer Abwägung von Anforderungen an Bauteilgrößen und -gewichte einerseits und der Energieübertragungseffizienz andererseits.

Ausgehend von den festgelegten Systemanforderungen und unter Berücksichtigung dieser Sachverhalte hat Intis verschiedene geeignet erscheinende Spulensysteme modelliert und numerisch simuliert. Die Simulationen bestätigten, dass es keine „am besten geeignete“ Spulentopologie gibt. Jede hat Vor- und Nachteile. Nur mit einer gewissen Priorisierung der Anforderungen konnte eine geeignete Topologie aus der Vielzahl möglicher Varianten ausgewählt werden, die mit einer Betriebsfrequenz von 35 bis 40 kHz effizient einsetzbar ist.

Die numerischen Modelle der gewählten Topologie wurden in ein Gesamtmodell integriert, um die Eigenschaften leistungselektronischer Komponenten und regelungstechnische Eingriffe möglichst real widerspiegeln zu können. Nach mehreren Optimierungsschritten auf Modell­ebene und einer Vielzahl von Untersuchungen an Einzelkomponenten in einer Laborumgebung wurde das zu realisierende Gesamtsystem festgeschrieben.

Realisierung und Erprobung

Zur Erprobung der induktiven Energieübertragung während der Fahrt wurde eine Versuchseinrichtung mit einem 25 m langem Straßenabschnitt realisiert. Unter Federführung der Intis beteiligten sich die Projektpartner Alcatel-Lucent Deutschland, das Bauunternehmen Max Bögl, der Magnetwerkstoffe-Spezialist Tridelta und die Fraunhofer-Institute IFAM und IVI am Aufbau der Versuchs­einrichtung und an den sich anschließenden praktischen Erprobungen.

Mehrere individuell zuschaltbare Primärleiterabschnitte sind in den Versuchsstraßenabschnitt integriert worden. Fahrzeugspulen zur Leistungsübertragung von 30 kW für Pkw-Anwendungen und 60 kW für Busanwendungen wurden prototypisch aufgebaut. Ein Pkw (Artega) und der Prototyp eines Busses (Auto­tram) wurden mit elektronischen Komponenten zur induktiven Energieübertragung ausgestattet.

Nach Abschluss der Integrationsphase wurde eine Vielzahl praktischer Erprobungen und messtechnischer Untersuchungen mit und ohne Versuchsstraßenüberfahrten des Pkw und des Omnibusses durchgeführt. Messtechnische Untersuchungen an Einzelbauteilen und die praktischen Erprobungen mit Fahrzeugüberfahrten zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den Modellbildungen und Simulationen. Die erzielte Energieübertragungseffizienz von der primärseitigen Versorgung bis zur Fahrzeugbatterie lag oberhalb von 90 Prozent. Die Verluste werden im Wesentlichen in den Spulen sowie in den leistungselektronischen Komponenten im Fahrzeug und entlang der Straße in Wärme umgesetzt. Die für die beiden Fahrzeugspulen spezifizierte Leistung konnte dauerhaft übertragen werden. Die Übertragung der Leistung ist geschwindigkeitsunabhängig und in Fahrtrichtung nahezu konstant. Mithilfe einfach zu implementierender Regelalgorithmen konnten Leistungsübertragungsschwankungen aus seitlichem Versatz und Nennspaltabweichung (in dem Maße wie sie bei zukünftigen Elektromobilitätsanwendungen zu erwarten sind) ausgeglichen werden. Einschlägige EMV-Grenzwerte wurden eingehalten.

Eignung nachgewiesen

Nach Überzeugung von Intis eignen sich induktive Energieübertragungssysteme für ein breites Spektrum zu übertragender elektrischer Leistungen mit hoher Effizienz und für eine Vielzahl stationärer und dynamischer Elektromobilitätsanwendungen. Mit ihren elektrischen Eigenschaften stehen sie kabelgebundenen Verfahren, insbesondere Verfahren zur Schnellladung von Batterien, in keiner Weise nach, wenn die Wettbewerbsfähigkeit gelingt. Hinsichtlich des Nutzungskomforts, der Betriebssicherheit, ihrer Unanfälligkeit gegenüber ungewollter oder mutwilliger Zerstörung und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber ungünstigen Witterungsbedingungen sind sie kabelgebundenen Verfahren weit überlegen.

Um das induktive Laden am Markt etablieren zu können, bedarf es auch zukünftig einer Vielzahl von Anstrengungen, Weiterentwicklungen und Abstimmungen zwischen den Beteiligten. So ist beispielsweise die Einhaltung von EMV-Grenzwerten keineswegs nur eine Frage der Auslegung der Komponenten des induktiven Energieübertragungssystems, sondern auch von der Kon­struk­tion und dem Materialeinsatz im Fahrzeugunterbodenbereich abhängig. Zur Gewichts­reduzierung werden Fahrzeugspulen integraler Bestandteil der Unterbodenkon­struk­tion sein müssen.

Die Marktbeteiligten werden Standards zur Absicherung der Kompatibilität ihrer Systeme, zur Energiebereitstellung und -abrechnung sowie zu einem sicheren Betrieb schaffen müssen. Große Anstrengungen sind zudem hinsichtlich der Integration induktiver Energieversorgungssysteme in kommunale Infrastrukturen, in Versorgungsnetzstrukturen sowie in Kommunikationsnetzen erforderlich. Über die Wettbewerbsfähigkeit induktiver Energieübertragungssysteme – ob für stationäre oder dynamische Anforderungen – werden letztlich die Systemkosten aus Sicht des Anwenders entscheiden.

Verwandte Artikel