Pro & Contra Induktives Laden mit beweglichen Elementen

<p>Drahtloses Laden von Elektro- fahrzeugen - was daf&uuml;r und dagegen spricht.</p>
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Das induktive Laden von Elektrofahrzeugen ist auf dem Weg in die Serienfertigung. Allerdings streiten sich die Experten: Was spricht für den Einsatz von beweglichen Elementen beim drahtlosen Laden, was dagegen? Ein Pro & Contra von Peter Stolte, Bombardier, und Thomas Nindl, Qualcomm Halo.

PRO von Peter Stolte, Bombardier: Unter der Marke "Primove" werden seit 2011 in Bombardiers Kompetenzzentrum für Elektromobilität in Mannheim induktive Ladesysteme für Straßenbahnen, Busse und Pkw entwickelt. Nach jahrelanger Vorentwicklung mit verschiedenen Konzepten und Prototypen für Pkw (40 kW, 20 kW und 7,2 kW) ist eine sehr enge und langfristige Zusammenarbeit mit einem internationalen Automobilkonzern entstanden. Gemeinsam mit diesem strategischen Partner aus der Automobilindustrie befindet sich das Team bereits in der Serienentwicklung eines 3,6-kW-Produktes für Plug-in-Hybride und hat 2015 einen ersten langfristigen Vertrag über die Lieferung dieses Produktes abgeschlossen.

Die Spezialität des Primove-Systems ist der sogenannte Z-Mover: Fährt das Fahrzeug über die Ladeplatte, hebt sich diese automatisch so nah an die Empfangsspule im Wagenboden, dass der optimale Abstand zwischen den Übertragungsspulen eingestellt ist. So erfolgt die Energieübertragung besonders effizient und sicher. Die Empfangsspule lädt die Batterie des Fahrzeugs mit 3,6 kW bei über 92 % Effizienz und wiegt dabei einschließlich der gesamten Elektronik weniger als 5 Kilogramm.

Für das dynamische Z-Mover-System sprechen zahlreiche Vorteile. So bedeutet ein optimaler Luftspalt eine deutlich verbesserte Betriebseffizienz gegenüber Systemen mit großen Abständen zwischen den Spulen. Da die Effizienz selbstverständlich direkt in die Betriebskosten des Elektrofahrzeuges über die gesamte Laufzeit eingeht, ist dieser Parameter im Prinzip ausschlaggebend für die Marktfähigkeit des induktiven Ladens.

Auf der Fahrzeugseite werden beim Z-Mover-System Gewicht, Bauraum und Kosten durch ein optimiertes Design minimiert. Optimiert wurde im Besonderen die magnetische Auslegung. Das heißt, die wegseitige Spule wird als 3-phasiges und mehrpoliges System ausgeführt, ähnlich der eines Drehstrommotors, sodass ein besonders homogenes Primärfeld erzeugt wird. Die sogenannte Sekundärseite bzw. die Empfangsspule kommt hier mit deutlich kleineren Querschnitten der Kupferlitzen sowie geringeren Ferritmengen aus. Die dynamische Flexibilität in Z-Richtung - also in der Vertikalen - bedeutet, dass im Gegensatz zu anderen Systemen für alle Fahrzeughöhen (Sportwagen, Limousine, SUV, Geländewagen) eine einzige Variante der Fahrzeugspule ausreichend ist. Dies ist für die Gleichteilestrategie der OEMs wichtig, da sich aufwändige Applikationen für einzelne Fahrzeugprojekte insbesondere bei Komfortausstattungen nicht rechnen. Ein weiterer großer Vorteil des kleinen Luftspaltes ist das deutlich geringere zu überwachende Volumen für die Fremdobjekt- bzw. Metallerkennung. Ein magnetisches Objekt in dem Zwischenraum wird natürlich einem großen Elektromagnetfeld ausgesetzt und wird sich sehr schnell erhitzen. Um das zu vermeiden, wird bei Primove ein Metallerkennungssystem eingesetzt, das selbst am Unterboden des Fahrzeuges klebende Metallfolie sehr schnell erkennen kann und das System dann nicht einschaltet.

Das Primove-System arbeitet in einem Abstand von ca. 1 cm zum Fahrzeugunterboden und etwa 3,5 cm zwischen den Kupferspulen. Das System erzeugt ein um den Faktor 3 bis 6 geringeres elektromagnetisches Streufeld als ein System ohne Z-Mover. Das heißt, das gemessene Feld am Fahrzeugschweller beträgt unter 1 µT und liegt damit weit unter den strengsten Grenzwerten für die gesundheitliche Verträglichkeit (ICNIRP 1998: 6,25 µT).

Dieser Umstand bedeutet außerdem, dass das System eine deutlich bessere elektromagnetische Verträglichkeit besitzt und andere elektronische Komponenten, die bei ähnlichen Frequenzen arbeiten, entsprechend weniger stört. Besonders im Fokus der Entwickler stehen hier die sogenannten Keyless-Entry-Systeme, die teilweise bei ähnlichen Frequenzen wie das induktive Laden arbeiten. Bei dem Z-Mover-System von Primove haben Tests gezeigt, dass diese empfindlichen Systeme während des Ladevorganges weiterhin funktionieren.

Für Systeme mit großem Luftspalt werden sogenannte Lebendobjekterkennungssysteme vorgeschrieben, damit auch die Gesundheit von Haustieren während des Ladevorgangs gewährleistet ist. Auf so ein System kann bei einem minimalen effektiven Luftspalt von 1 cm verzichtet werden. Für den Fall, dass ein Tier oder Gegenstand beim Anheben der Ladeplatte zwischen die Spulen gerät, ist ein mechanischer Klemmschutz vorgesehen, wie er auch bei einem elektrischen Fensterheber verwendet wird.

Zusätzliche Materialkosten für die Mechanik werden durch Einsparungen beim sogenannten magnetischen Material (Kupfer, Ferrit) und der Leistungselektronik kompensiert. So kann z.B. durch die mechanische Regulierung der Verbau eines Tiefsetzstellers entfallen.

Das System ist für den dauerhaften Betrieb im Freien ausgelegt und wird auch bei Regen und Schnee einsatzbereit sein. So ist beispielsweise eine zusätzliche Schneelast von bis zu 3,5 kg berücksichtigt worden. Der mechanische Aufbau ist vergleichbar mit dem einer typischen Hebebühne. Vor Verschmutzung und Eingriffen schützt außerdem der vorgesehene Gummibalg, der sich an die jeweilige Betriebshöhe anpasst.

Die komfortable automatische Ladetechnik mit flexibler Bodenplatte eignet sich hervorragend für die Nutzung im privaten und geschäftlichen Umfeld. Verschiedene Veröffentlichungen zeigen, dass 80 bis 90 % der Ladeleistung zu Hause und am Arbeitsplatz umgesetzt werden. Genau hier wird der Kunde also in eine komfortable Lösung investieren. Die Z-Mover-Technologie eignet sich auch für den Einsatz in öffentlichen Anwendungen, z.B. in Parkhäusern oder an Taxiständen. Allerdings sind die Einsatzfelder und Anforderungen von Betreibern hier vielfältig, sodass die Bodenplatten für den jeweiligen Einsatz angepasst werden müssen. In den USA ist z.B. ein öffentlicher Einsatz nur als ein in die Fahrbahn eingelassenes System möglich.

In der geplanten Kombination mit einer automatisierten Einparkfunktion des Fahrzeugs wird der Ladevorgang noch komfortabler werden: Das Auto fährt dann selbsttätig in die Garage über den Z-Mover und startet bzw. beendet das Laden ebenfalls automatisch. Ein integriertes Positionierungssystem sendet dafür die Position der Ladeplatte an das Fahrzeug. Damit leistet die Technologie zukünftig einen wichtigen Beitrag für das autonome Fahren.