Laden ohne Kabel

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben ein neues System zur induktiven Ladung von Elektrofahrzeugen entwickelt. Dabei wird die Batterie des Fahrzeugs geladen, ohne dass der Besitzer oder Fahrer umständlich ein Kabel anstecken muss. Die Energie wird über ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen übertragen. Die erste der beiden Spulen wird vorher fest in die Straße oder den Parkplatz eingelassen. Die zweite Spule sitzt im Fahrzeugboden.

Energieübertragung über zwei Spulen

Zur Energieübertragung haben die Forscher extra einen sogenannten resonanten leistungselektronischen Wandler entwickelt. Dieser erzeugt mit Hilfe eines Resonanzkreises und der stationären Spule unterhalb der Straßendecke ein hochfrequentes Magnetfeld. Das gibt die Leistung an die mobile Spule im Fahrzeugboden weiter. Danach formt ein bidirektionaler Wandler den hochfrequenten Spulenstrom in speichertauglichen Gleichstrom um. Da er in beide Richtungen wirkt, kann er den Strom aus der Batterie auch wieder an die stationäre Spule zurückgeben. Die ist wiederum mit einem bidirektionalen Wechselrichter ausgestattet, die den zurückgegebenen Strom in Netz einspeisen kann.

Viel Effizienz herausgekitzelt

Das zentrale Problem, das die Freiburger Forscher lösen mussten war die Optimierung der gesamten Wirkungskette des induktiven Ladevorgangs. Um das zu erreichen, setzten sie neue Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid in den verschiedenen leistungselektronischen Wandlern ein. Dadurch verringerten sich die Schaltverluste in den Transistoren, was eine Taktfrequenz von 100 Kilohertz ermöglichte. Außerdem setzten die Wissenschaftler spezielle Kondensatoren auf beiden Seiten ein, womit sie den Blindleistungsbedarf der Spulen und des Streufeldes sowie zwischen den Spulen und der Leistungselektronik kompensierten. Mit dieser Optimierung der Spulen und des Resonanzkreises kitzelten sie nochmals einige Prozent Effizienz heraus. Am Ende stand nach Tests mit den ersten Prototypen fest: Das gesamte System hat einen Wirkungsgrad für die induktive Strecke von 97,4 Prozent bei einem Spulenabstand von 13 Zentimetern. Für das gesamte bidirektionale System der Ladung aus dem Netz und der Rückspeisung des Batteriestroms in das Netz geben die Freiburger einen Wirkungsgrad von 95 Prozent an. Mit dem System kann eine maximale Leistung von 22 Kilowatt übertragen werden. Damit kann eine übliche Batterie für Elektrofahrzeuge innerhalb von knapp einer Stunde auf 80 Prozent ihrer Kapazität aufgeladen werden. (Sven Ullrich)