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Kabellos laden

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen erhöhen

24. März 2021, 16:00 Uhr   |  Autor: Patrik Kalbermatten, Redaktion: Irina Hübner

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen erhöhen
© Shutterstock.com

Induktives Laden könnte die Akzeptanz der Elektromobilität erhöhen.

Die Reichweitenangst stellt noch immer ein Hindernis für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen dar. Zwei Dinge, die den Widerstand gegen neue Technologien ausräumen können, sind Vernunft und technische Verbesserungen.

Was die Vernunft betrifft, so weisen Elektromobilitäts-Befürworter darauf hin, dass die typische tägliche Kilometerleistung, die das Pendeln zum Arbeitsplatz sowie das Erledigen von Einkäufen, umfasst, im Durchschnitt recht gering ist. Typische tägliche Fahrtstrecken sind mit den meisten derzeit am Markt befindlichen Elektroautos gut zu schaffen. Potenzielle Käufer, die bereits am Umstieg auf ein Elektroauto interessiert sind, überzeugt das vielleicht. Bei anderen Autofahrern ist allerdings noch mehr Überzeugungsarbeit nötig, die durch weitere technische Fortschritte am besten geleistet werden kann.

Schnelles und einfaches Aufladen

Für Tage, an denen zusätzliche Besorgungen oder eine längere Fahrt erforderlich sind, oder um für den Notfall gerüstet zu sein, ist es sinnvoll, einige Kilometer auf Reserve zu haben. Schnelleres Laden könnte helfen. Jedes Elektrofahrzeug lässt sich über ein einfaches Level-1-Ladegerät aufladen, das an eine normale Steckdose angeschlossen wird und bis zu 1 kW Leistung bereitstellt. Will man eine zusätzliche Reichweite von 150 km erzielen, kann dies jedoch fast 20 Stunden dauern (Tabelle).

Tabelle: Vergleich der Ladezeiten für kabelgebundene Standard-Ladepunkte

(Level 1 bis 3) (Quelle: https://chargehub.com/en/electric-car-charging-guide.html)

Stufe Leistung ungefähre Ladezeit (leerer Akku)
1 1 kW 200 km: +/- 20 Stunden
400 km: +/-43 Stunden
2 3 bis 20 kW, typ. 6 kW 200 km: +/-5 Stunden
400 km: +/-11 Stunden
3 (DCFC) typ. 50 kW, gelegentlich 20 kW 80 % von 200 km: +/- 30 min

 

 

 

Level-2-Ladestationen mit bis zu 20 kW Leistung werden am Straßenrand, auf innerstädtischen Parkplätzen und optional auch von privaten Nutzern zu Hause installiert. Sie können eine vergleichbare Energie in der Regel in einem Viertel der Zeit oder weniger übertragen. Level-3-Ladestationen der Stufe 3 oder DC-Schnellladegeräte (DCFC, DC Fast Chargers) sind der leistungsstärkste und damit schnellste Ladetyp. Sie sind jedoch nicht an allen öffentlichen Ladestationen verfügbar und nicht für alle Elektrofahrzeuge geeignet.

Damit Fahrer ihre Fahrzeugbatterie an einem dieser Ladegerät-Typen aufladen können, müssen sie einen geeigneten Lade-Parkplatz finden, das Ladekabel aus dem Auto holen, einstecken und warten.

Kabelloses Laden zum Lade-Mix hinzufügen

Als Teil des Lade-Mixes könnte kabelloses Laden das Aufladen bequemer machen und dazu beitragen, die Reichweitenangst potenzieller Kunden zu überwinden. Kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen beruht auf resonanter magnetischer Induktion, um Energie zwischen einem Lade-Pad im Boden und einem weiteren Pad an der Fahrzeugunterseite zu übertragen. Ein typisches Lade-Pad ist etwa einen Quadratmeter groß, während das Empfangs-Pad an der Fahrzeugunterseite in einem kompakteren Gehäuse verbaut ist.

Sobald die beiden ausgerichtet und miteinander gekoppelt sind, kann der Ladevorgang mit Raten von 3,3 bis 20 kW Leistung erfolgen.
Ein passender Wireless-Power-Transmitter lässt sich in die Straßenoberfläche einbetten. Er erkennt, wenn sich ein Fahrzeug darüber befindet. Der Ladevorgang wird dann bei der Ankunft des Fahrzeugs gestartet und beim Wegfahren ohne weiteres Eingreifen des Fahrers beendet. Durch den Aufbau einer geeigneten WEVCS-Infrastruktur (Wireless Electric Vehicle Charging System) wäre es möglich, das Elektrofahrzeug jedes Mal, wenn es für kurze Zeit anhält, schrittweise aufladen – zum Beispiel bei einem Zwischenstopp an einem Supermarkt.

Auch ein dynamisches WEVCS (D-WEVCS) wäre vorstellbar. Dieses könnte Autobahnabschnitte mit eingebetteten Ladesendern umfassen, die die Batterien vorbeifahrender Fahrzeuge während der Fahrt aufladen. Dynamisches Laden ist insbesondere für Taxis oder Busse eine effektive Lösung, wenn das Aufladen an bestimmten Stellen auf der Route oder beim Warten an Haltestellen oder Abhol-/Absetzpunkten möglich ist.

Bild 1 beschreibt die wichtigsten Funktionsblöcke eines statischen oder dynamischen WEVCS. Der Sender befindet sich in einer festen Position und wird von einer Wechselstromversorgung mit 50 bis 60 Hz gespeist. Nach der Gleichrichtung und Leistungsfaktorkorrektur erzeugt ein Wechselrichter einen Ausgangs-Wechselstrom mit 80 bis 160 kHz, der in die Wireless-Power-Senderspule übertragen wird.

Das Diagramm zeigt auch Positionen des Eingangsrauschfilters für leitungsgebundene Störungen, der PFC-Drossel sowie der Normal-Mode- und Common-Mode -Drosselspulen für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen. Die vom Sender abgestrahlte Leistung wird in die Empfängerspule eingekoppelt, die an der Unterseite des Fahrzeugs angebracht ist. Normal-Mode- und Gleichtakt-Filter sowie ein AC/DC-Wandler erzeugen eine stabile DC-Versorgung zum Laden der Batterie, die über ein Batteriemanagement-System (BMS) gesteuert wird.

Wesentliche Funktionsblöcke eines WEVCS (Wireless Electric Vehicle Charging System).
© Kemet

Bild 1. Wesentliche Funktionsblöcke eines WEVCS (Wireless Electric Vehicle Charging System). 1 = Rauschfilter für leitungsgebundene Emission; 2 = Drossel zur Leistungsfaktorkorrektur; 3 = Normal-Mode-Drosselspule; 4 = Gleichtakt-Drosselspule; 5 = gesinterter Ferrit-Träger; 6 = Gleichtakt-Drosselspule.

WEVCS-Technik optimieren

Zuverlässigkeit und Energieeffizienz sind zwei große Herausforderungen für Entwickler in diesem Bereich. Sowohl der fest installierte Sender als auch der am Fahrzeug montierte Empfänger können extremen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und physikalischen Kräften ausgesetzt sein. Kemet hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, zum Beispiel mit seinen umgebungsbeständigen Drosseln und Filtern, die speziell für EV-Ladeanwendungen ausgelegt sind. Mit neuen Materialien, die die Entwicklung kompakterer Bauelemente ermöglichen, lassen sich zudem die Größe und das Gewicht des am Fahrzeug montierten Systems reduzieren.

Im Wechselrichter und AC/DC-Wandler des Senders bzw. Empfängers ermöglichen Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke (WBG, Wide Band-Gap) und geeigneter Nennspannung eine effiziente Leistungsumwandlung bei der Wireless-Power-Übertragungsfrequenz. So wird ausreichend Sicherheit gewährleistet.

Als Ergänzung zu den WBG-Halbleitern sind Keramikkondensatoren erforderlich, die eine hohe Kapazitätsstabilität über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich aufweisen. Dadurch halten die Leistungshalbleiter sehr hohen Ripple-Strömen stand. Ein spezielles dielektrisches System, das einen sehr niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und Wärmewiderstand ermöglicht, erlaubt es, die Kondensatoren nahe an den schnell schaltenden Halbleitern zu platzieren. Dadurch erzielen die WEVCS-Module eine hohe Leistungsdichte und eine zuverlässige Leistungsfähigkeit.

Die Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) der Reihe KC-Link von Kemet basieren auf einem eigens entwickelten, robusten C0G/NPO-BME-Dielektrikum (Base-Metal-Elektrode), das einen niedrigen ESR bei hoher thermischer Stabilität gewährleistet. Durch die hohe mechanische Robustheit der Kondensatoren kann ein Aufbau ohne Leadframe realisiert werden. Das verringert die effektive Serieninduktivität (ESL) und gestattet einen größeren Betriebsfrequenzbereich und damit eine weitere Miniaturisierung.

Um den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung zu optimieren, muss auch auf die induktive Kopplung zwischen Sender- und Empfängerspule geachtet werden. Das Spulendesign und -layout lässt sich so verbessern, dass die Abhängigkeit von der Ausrichtung des Senders und Empfängers geringer wird. Durch Verkehrshindernisse oder Straßenaufbauten kann es passieren, dass ein Fahrer oder ein autonomes Fahrsystem das Fahrzeug nicht perfekt über dem Sender positionieren kann.

Die Position einer beweglichen Empfängerspule lässt sich jedoch fein abstimmen und damit die Ausrichtung optimieren. Laden bis 5 kW bei einem Wirkungsgrad von über 90 % wird so möglich. Ein Luftspalt von circa 150 bis 300 mm wird dabei für gewöhnlich als ideal angesehen. Ein Anhebe- oder Absenkmechanismus für das Pad am Elektrofahrzeug kann in Betracht gezogen werden, um die teils erheblichen Unterschiede bei der Bodenfreiheit auszugleichen.

Darüber hinaus kann das Anbringen von Abschirmmaterialien um den Leistungssender und den On-Board-Empfänger die Effizienz bei der Energieübertragung weiter erhöhen. Kemet hat hochpermeable gesinterte Ferritplatten entwickelt, die die Magnetflussverluste minimieren und für Automotive-Anwendungen gemäß AEC-Q200 qualifiziert sind.

Patrik Kalbermatten, Kemet
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Patrik Kalbermatten, Kemet

Der Autor

Patrik Kalbermatten

ist Senior Manager – Distribution Promotion Product Management MSABG (Magnetic, Sensor and Actuator) – bei Kemet. Nach seinem Studium am Hochschulinstitut für international Studien und Entwicklung in Genf sammelte er 13 Jahre lang Erfahrung in der Elektronik-Industrie – im Verkauf, im Vertrieb, im Marketing und im Produkt-Management.

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