Standard für kontaktloses Laden Das Ziel in Sicht

Ein globaler Standard der Ladetechnik, damit Elektroautos mit jeder Ladestation kompatibel werden.
Ein globaler Standard der Ladetechnik, damit Elektroautos mit jeder Ladestation kompatibel werden.

E-Fahrzeuge kontaktlos einfach und überall laden? Das geht – bald zumindest. Die Society of Automotive Engineers arbeitet an einem globalen Standard der Ladetechnik, damit E-Autos mit jeder Ladestation kompatibel werden. Sind die letzten Details definiert, ist ein einheitliches System verfügbar.

Das Erarbeiten eines Standards für WPT (Wireless Power Transfer)-Systeme läuft bereits seit dem Jahr 2010. Damals gründete die SAE International (ehemals Society of Automotive Engineers) das J2954-Komitee. Unter der Federführung der SAE be­gannen weitere Standardisierungsgremien, wie International Electrotechnical Commission (IEC) und International Organization for Standardization (ISO), Leistungs- und Sicherheitskriterien für kontaktloses Laden von Plug-in-Fahrzeugen zu entwickeln. Klar ist: Nur mit einem gemeinsamen Standard können Fahrzeuge nahtlos mit dem Stromnetz kommunizieren und kontaktloses Laden so zur Selbstverständ­lichkeit werden.

Zu einem ersten Durchbruch auf dem Weg zu einem globalen Standard kam es im Jahr 2017. Die SAE definierte damals die wichtigsten technischen Elemente für die Norm SAE J2954 und testete die unterschiedlichen Ladeprodukte auf Interoperabilität und Normkonformität auf 3,7 kW- und 7,7 kW-Prüfständen, die mit Zirkularspulen ausgestattet waren. Die Rahmenbedingungen für einen Standard wurden konkretisiert und die verschiedenen Anbieter konnten ihre Systeme an die Richtlinien entsprechend anpassen.

Das Jahr 2019 wird nun ein Schlüsseljahr für den globalen Ladestandard. Ein entscheidender Schritt zu einem herstellerübergreifenden Standard erfolgte bereits im Februar: WiTricity übernahm Technik von Qualcomm Halo und kann seitdem das Know-how für das eigene Ladesystem „Drive 11“ einsetzen. Somit ist ein einheitliches Ladesystem, das die Interoperabilität mit sämtlichen Fahrzeugmodellen sicherstellt, in greifbare Nähe gerückt.

Ladeinfrastruktur und bidirektionaler Ladetransfer

Der Energietransfer zwischen Ladeprodukt und E-Auto funktioniert nicht nur in eine Richtung. Mit einem entsprechenden Ladesystem sind die Fahrzeuge in der Lage, mit dem Netz zu kommunizieren und dessen Energie sowohl zu beziehen als auch wieder zurück­zugeben.

Die Vehicle-to-Grid (V2G)-Technik ermöglicht dabei folgende Ladetransfers:

  • Bei geringer Nachfrage können Elektrofahrzeuge mit Strom aus dem Netz geladen werden und die Energie speichern.
  • Bei hoher Nachfrage gibt das E-Auto den Strom dagegen wieder in das Stromnetz ab

WiTricity und Honda Americas passten prototypisch ein unidirektionales Ladesystem so an, dass es einen bidirektionalen Energietransfer gemäß SAE-Norm J2954 ermöglichte. Zudem untersuchte das Forschungsteam die Systemleistung einschließlich der Ausgangsleistung und -effizienz.

Standard überwindet regionale Differenzen

Beim Laden von Elektrofahrzeugen muss das Ladesystem die vom Netz gelieferte Wechselspannung in eine geeignete Ladespannung umwandeln. Kabelgebundene Ladesysteme haben den Nachteil, dass es regionale Unterschiede in der Frequenz-, Spannungs- und Phasenanpassung gibt. Daher müssen Automobilhersteller ihre Systeme für jede Region individuell anpassen, was hohe Lagerhaltungs-, Produktvalidierungs- und Ersatzteillagerkosten zur Folge hat. Kontaktlose Ladesysteme sind unabhängig und können leichter einen weltweiten Standard ermöglichen, da keine direkte Verbindung mit der Netzstromversorgung besteht.

Die Norm SAE J2954 beschreibt die Anforderungen an die Wireless-Power-Transfer-Ladesysteme WPT1, WPT2 und WPT3 mit 3,7 kW, 7,7 kW und 11 kW. Die Bodenfreiheit bei den Ladesystemen variiert dabei zwischen 100 und 250 mm. Zudem beinhaltet die Norm die vorgeschriebene Betriebsfrequenz, die Wirkungsgradziele sowie EMV-Grenzwerte und Sicherheitsanforderungen. Mit SAE J2954 Recommended Practice (RP) stellt die SAE International Task Force zudem einen Prüfstand zur Verfügung (zunächst bis WPT2). Hersteller von Elektroautos können damit die Leistung und Konformität ihrer Produkte und Neuentwicklungen verifizieren. Der Prüfstand basiert auf der zirkularen Topologie, einer von WiTricity bereitgestellten Technik. Die Methode umfasst die magnetische Triangulation, die für die automatische Ausrichtung der Fahrzeuge sorgt – sowohl für das manuelle als auch für das autonome Parken. Die Kontaktstelle am Unterboden des Fahrzeugs wird dadurch automatisch oberhalb der Ladeplatte positioniert und autonome Fahrzeuge finden ihre Parkposition – selbst bei Schnee oder Regen. Beispielsweise E-Taxiflotten können so ohne menschliche Interaktion geladen werden.

Kontaktloser Energietransfer

Für die Energieübertragung ist eine Primärspule in der Ladeplatte auf dem Boden installiert und die Sekundärspule am Unterboden des Autos. Grundsätzlich wird die Kopplung zwischen den Spulen mit einem Kopplungskoeffizienten k beschrieben, der zwischen Null (keine Kopplung) und 1 (feste Kopplung) liegt. Beim kontaktlosen Laden ist er mit k ≈ 0,1 – 0,3 relativ gering. Beruht das Ladesystem auf dem Prinzip der Resonanz, ist jedoch bei niedrigen Kopplungsfaktoren eine effiziente Leistungsübertragung von mehr als 90 Prozent realisierbar. Der maximale Wirkungsgrad beim Energietransfer von Spule zu Spule kann als Komponente des Wirkungsgrads des Gesamtsystems in Form des magnetischen Kopplungskoeffi­zienten und der Spulenqualitätsfaktoren Q1 und Q2 ausgedrückt werden.

ŋ subscript m a x end subscript equals fraction numerator U squared over denominator left parenthesis 1 plus √ 1 plus U squared right parenthesis to the power of 2 space end exponent end fraction
m i t space space U equals k √ Q subscript 1 space Q subscript 2

Ladetechnik für den Grid-to-Vehicle (G2V)-Modus

Damit Ladesysteme weltweit funktionieren, gibt die SAE in der Norm J2954 TIR (Technical Information Report) einen bestimmten Bereich von relativen Spulenpositionen (X, Y, Z) und unterschiedliche Batteriespannungen vor (Bild 1).

Die magnetische Kopplung variiert dabei mit den relativen Spulenpositionen zueinander, beziehungsweise mit der Parkposition. Die unterschiedlichen Betriebsbedingungen bestimmen die entsprechenden Impedanzen, die vom Wechselrichter auf Bodenseite gespeist werden müssen. Um die Belastung des Wechselrichters zu reduzieren, wird sowohl auf Boden- als auch Fahrzeugseite ein Tunable Matching Network (TMN) eingesetzt, das die Betriebsleistung für jeden Arbeitspunkt individuell einstellt. Bild 2 zeigt den TMN-Betriebsbereich bei einem exemplarischen Ladevorgang.

Bild 2 (oben) zeigt die Bereiche für die höchste Kopplung. Das bedeutet, die beiden Spulen sind relativ nah zueinander positioniert (X = 0, Y = 0, Z = 140 mm), wie es bei einem Fahrzeug mit geringer Bodenfreiheit der Fall ist. Bild 2 (unten) zeigt den Graph der schwächsten Kopplung (X = 75mm, Y = 100mm, Z = 210mm), beispielsweise bei einem SUV mit großer Bodenfreiheit.

Die X-Achse beschreibt dabei die Reaktanz des TMN auf Bodenseite und die Y-Achse auf Fahrzeugseite. Der schattierte Bereich stellt die möglichen Impedanzbereiche dar, in denen eine volle Leistungsabgabe über den gesamten Batteriespannungsbereich möglich ist. Ohne TMN wäre die volle Leistungsübertragung nicht realisierbar. Das System nutzt also die Flexibilität des TMN und stellt die unterschiedlichen Arbeitspunkte (je nach relativem Abstand der Spulen zueinander) optimal ein.

Bidirektionaler Energietransfer

Um testweise den bidirek­tionalen Energietransfer zu ermöglichen, wurde der Gleichrichter auf Fahrzeugseite so modifiziert, dass er während des V2G-Betriebs als Wechselrichter fungiert. Ebenso wurde die Steuerung des Inverters auf Bodenseite angepasst, um auch ihn als Gleichrichter einsetzen zu können. Zudem musste das System auf Bodenseite dahingehend abgeändert werden, dass die Fahrzeuge Strom an das Netz übertragen können. Um das zu realisieren, setzten WiTricity und Honda Americas eine zusätzliche Last zur Nachbildung des Netzes ein. Insgesamt erforderten die Änderungen nur geringfügige Modifikationen der Hardware:

  • Halbleiter ersetzen Gleichrichterdioden, sodass sie auf Bodenseite einem Wechselrichter entsprechen
  • Zusätzliche Schalter auf Bodenseite verbinden eine Last
  • Controller müssen beide Betriebs­modi (V2G und G2V) unterstützen und sind für den Moduswechsel in den Gleichrichterblöcken verantwortlich

Der V2G- unterscheidet sich vom G2V-Modus weiter dadurch, dass die Batterie den Wechselrichter auf Fahrzeugseite direkt speist. Das bedeutet, dass keine Anpassung der Busspannung gegeben ist, wie im G2V-Modus. Im V2G-Modus wird der Resonator auf Fahrzeugseite zur Sendespule und der Resonator auf Bodenseite zur Empfängerspule. Aufgrund der Reziprozität ist die Kopplung zwischen den Spulen in beiden Richtungen identisch. Daher bleibt die theoretische Leistungsübertragungseffizienz identisch. Da jedoch auf Fahrzeug- und Bodenseite unterschiedliche Anpassungsnetzwerke eingesetzt werden, ist die Gesamtsystemleistung für die beiden Betriebsmodi unterschiedlich.