Forschungsprojekt UnIndCha Performance-Upgrade für induktive Ladesysteme

Mit universellen induktiven Ladesystemen lässt sich eine optimale Energieübertragung erreichen.
Mit universellen induktiven Ladesystemen lässt sich eine optimale Energieübertragung erreichen.

Induktives Laden geht im Vergleich zur Variante Ladekabel und Steckverbinder mit einem erheblichen Komfortgewinn einher. Das ist aber nicht der einzige Vorteil. Mit der Entwicklung eines universellen induktiven Ladesystems zeigt Finepower, wie sich eine optimale Energieübertragung erreichen lässt.

Aktuell sind induktive Ladesysteme für elektrische Fahrzeuge Gegenstand der Erforschung, Entwicklung und Standardisierung. Typische Anwendungsbeispiele sind das kontaktlose Nachladen von Flurförderfahrzeugen im industriellen Bereich sowie Elektrofahrzeugen im Straßenverkehr. Unterschiedliche Systemeigenschaften der Fahrzeuge wie Bodenfreiheit, Batteriespannungen, Spulengeometrien oder Stromtragfähigkeit haben zur Folge, dass gegenwärtig jeder Hersteller eine individuell für eine jeweilige Fahrzeugflotte entwickelte induktive Ladeeinheit anstrebt. Eine induktive Ladestation mit der Fähigkeit, eine möglichst hohe Anzahl unterschiedlicher Fahrzeugtypen mit entsprechend unterschiedlichen Empfängerspulen und Batteriesystemen zu bedienen wird aktuell bei Finepower im Rahmen des vom bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft & Medien (StMWi) geförderten Forschungsprojekts UnIndCha, kurz für Universal Inductive Charging, aufgebaut.

Projektbeschreibung und Ziele

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung eines universellen induktiven Ladesystems ist es, eine möglichst hohe Toleranz in der Fahrzeugposition zuzulassen. Sollen unterschiedliche Fahrzeugtypen induktiv geladen werden, lassen sich allein schon wegen der Fahrzeugabmessungen, aber vor allem auch der unterschiedlichen Empfängerspulen-Geometrien und -Konfigurationen unterschiedliche Positionierungen von stationsseitiger und fahrzeugseitiger Spule zueinander nicht vermeiden.

Ein weiterer Grund für eine möglichst hohe Positionierungstoleranz ist die Tatsache, dass es vor allem an öffentlichen Ladepunkten durch eine zeitlich begrenzte Park- oder auch nur Haltedauer oft nicht möglich ist, das Fahrzeug exakt zu positionieren. Das aber ist notwendig, um eine optimale Energieübertragung zu ermöglichen, sei es durch ein elektronisches Park-Positionierungssystem oder manuelles Rangieren, was die ohnehin schon begrenzt verfügbare Ladezeit weiter reduziert. Ein System für die Park-Positionierung verursacht außerdem zusätzliche Kosten in der Anschaffung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Zudem kann ein solches Positionierungssystem ausfallen, was zu einem erheblichen zeitlichen Mehraufwand für den Fahrer führen würde oder aber einen induktiven Ladevorgang gänzlich verhindert.

Durch die Umsetzung der oben genannten Ziele ist der Einsatz einer solchen Ladestation an herkömmlichen Tankstellen, öffentlichen Plätzen wie Parkhäusern in Einkaufszentren, Flughäfen, Bahnhöfen, aber auch zur Kurzzeit-Zwischenladung beispielsweise an roten Ampeln oder Autobahn-Raststätten denkbar. In solchen Fällen ist zwar aufgrund der geringen Dauer der Energieübertragung keine vollständige Aufladung des Batteriespeichers möglich. Allerdings erhöht das die Reichweite der Fahrzeuge ohne einen zeitlichen Zusatzaufwand des Fahrers, weil all diese Standzeiten unabhängig vom Ladebedarf des Fahrzeugs entstehen. Da aufgrund der begrenzten Aufenthaltsdauer sowieso kein vollständiges Laden möglich ist, kommt es besonders darauf an, den Ladevorgang möglichst schnell und unkompliziert zu starten, selbst wenn das eine Leistungseinbuße in der induktiven Übertragung darstellen könnte

Folgende Überschlagsrechnung soll verdeutlichen, welche Leistungsübertragung bei geringen Standzeiten und schlechter Positionierung zu erwarten ist: Ein Fahrzeug steht auf einer Autobahn-Raststätte. Die Parkdauer soll zehn Minuten betragen. Wird beispielsweise eine Ladestation mit einer Nennleistung von 22 kW vorgesehen und das Fahrzeug kommt versetzt zur Sendespule zum Stehen, soll angenommen werden, dass noch eine Ladeleistung von 10 kW möglich ist. Das ergibt bei der angenommenen Standzeit noch einen Energieeintrag von ca. 1,7 kWh in das Fahrzeug. Bei einer Gesamtkapazität einer typischen Fahrzeugbatterie von 30 kWh entspricht das etwa 5,7 Prozent Nachladung, bei einer angenommenen Gesamtreichweite von 150 km wären das etwa 8,5 km. Kommt das Fahrzeug hingegen optimal zum Stehen, wäre immerhin schon eine Nachladung von 11,4 Prozent oder 17 km möglich.

Technisch spricht nichts dagegen, noch höhere Ladeleistungen zu installieren. Die Standzeit in anderen Fällen wie beim Einkaufen oder Ähnlichem liegt sogar wesentlich höher, im Bereich von 30 Minuten bis einigen Stunden, sodass sich hierdurch nach obigem Beispiel schon Nachlademengen von 17,1 Prozent (30 Minuten) bis 68,4 Prozent (zwei Stunden) bzw. 25 km (30 Minuten) bis 100 km bei schlechter Parkposition ergeben würden. Jedoch immer mit dem Grundgedanken, dass für den Fahrer keine zusätzlichen Aufgaben entstehen, außer der Suche nach einem geeigneten Parkplatz, und ein- und dieselbe Ladestation für eine Vielzahl von unterschiedlichen Fahrzeugtypen zum Einsatz kommen kann. Bild 1 veranschaulicht die Betriebssituationen und Herausforderungen beim induktiven Laden sowie die Lösungsansätze und Ziele des Verbundvorhabens.

Um die Varianz der Positionierung auszugleichen oder zu vermeiden, wurden bisher aufwendige Verfahren eingesetzt, um die Spulenpositionen zueinander immer möglichst optimal und konstant zu halten. Genannt seien hier nur die Stichworte „Laden über Nummernschild“ oder „Positionierungssystem“. Auch wenn in diesen Fällen gewisse Positionstoleranzen zugelassen wurden, war eine erhebliche Leistungseinbuße die Folge. Eine rein elektronische Kompensation dieser variablen Position bzw. Streuinduktivität stellt einen völlig neuen Ansatz dar und ist ein Ziel dieses Forschungsvorhabens.

Kern der Erforschung bildet die Realisierung einer einstellbaren Kapazität im primären Spulenkreis, die als adaptive Kompensation bezeichnet wird. Grundgedanke dabei ist, dass bei unterschiedlichen Positionierungen von Primär- und Sekundärspulen, sei es durch versetztes Parken oder unterschiedliche Fahrzeugtypen, sowie durch unterschiedliche Batteriespannungen und Übertragungsleistungen die Resonanzeigenschaften des Ladesystems variieren. Durch die einstellbare Kapazität kann dem entgegengewirkt werden. Folgende Ziele, Ansatzpunkte und Eigenschaften dieses Forschungsvorhabens stellen einen wesentlichen Unterschied und Fortschritt im Vergleich zu den bisherigen Lösungsansätzen dar:

  • Verzicht auf eine zeit- und kostenintensive Positionierung
  • Intelligente / adaptive Kompensation
  • Induktive Ladung unterschiedlichster Fahrzeugtypen
  • Minimierung des Kommunikationsaufwands
  • Erhöhung des Versatzbereichs durch: 
    • Erhöhung der übertragbaren Wirkleistung
    • Wirkungsgraderhöhung im Versatzbereich

Voruntersuchungen

Die Bilder 2 und 3 zeigen das Ergebnis einiger qualitativer Voruntersuchungen anhand eines fiktiven Spulensystems – um die grundsätzliche Idee der adaptiven Kompensation zu unterstreichen. Dargestellt ist auf der Rechtsachse jeweils der Positionsversatz. Die beiden Kurven zeigen jeweils die zu erwartende Performanz bei Nennleistung auf der Primärseite, ohne (alt) und mit adaptiver Kompensation (neu).

Bilder: 3

Voruntersuchungen und Messergebnisse, Bilder 2-4

Voruntersuchungen und Messergebnisse, Bilder 2-4

Bild 2 zeigt, dass bei steigendem Versatz die Ladeleistung bei einem fest abgestimmten System schnell absinkt, was bedeutet, dass die Eingangsleistung erhöht werden müsste, um dieselbe Ausgangsleistung bereitstellen zu können. Das ist jedoch verbunden mit einer Überdimensionierung der elektronischen Komponenten und damit einer Preissteigerung und Effizienzeinbußen.

Die Effizienz der Leistungsübertragung sinkt zusätzlich bei hohem Versatz, weil sich dann die Resonanzeigenschaften derart stark ändern, dass die herkömmlichen Regelmöglichkeiten wie Frequenzanpassung oder Eingangsspannungserhöhung nicht mehr ausreichen und durch hohe Blindströme hohe ohmsche Verluste in den Halbleitern und Wicklungen entstehen. Eine adaptive Kompensation ist hier äußerst vielversprechend (Bild 3).

Zusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass mit einer adaptiven Kompensation die elektromagnetische Störemission klein gehalten werden kann. So kann auch ohne genaue Positionierungsmaßnahmen eine Leistungsübertragung ermöglicht bzw. die Leistungsübertragung unter Einhaltung der EMV-Grenzwerte deutlich erhöht werden, auch wenn beispielsweise ein Fahrzeug nicht optimal geparkt wird.

Diese Eigenschaften ermöglichen damit zum einen eine hohe Ausnutzung und damit auch einen wirtschaftlich sinnvollen Betrieb des geplanten Systems. Zum anderen können die Kosten für Kommunikations-, Positionierungs- und Abschirmmaßnahmen durch die geplanten elektronischen Kompensations- und Steuerstrategien klein gehalten werden.

Im bisherigen Projektverlauf wurden von Finepower der Prototyp eines induktiven Ladesystems aufgebaut und erste Vergleichsmessungen mit und ohne adaptive Kompensation durchgeführt.

Messergebnisse

Der gemessene Wirkungsgrad ist in Bild 4 in Abhängigkeit des Positionsversatzes für verschiedene Ausgangsleistungen aufgetragen. Wie sich leicht erkennen lässt, kann durch die in diesem Projekt untersuchten Maßnahmen der Wirkungsgrad bei Volllast um circa ein Prozent, mit abnehmender Last sogar um wesentlich mehr erhöht werden. Bei emem Versatz ist erst durch diese Maßnahmen überhaupt ein nennenswerter Betrieb möglich.

Ausblick

Das Erreichen der gesteckten Ziele ermöglicht den Einsatz des Konzepts einer universellen Ladestation für eine große Zahl unterschiedlicher Fahrzeugtypen und Sekundärsysteme, ohne dass eine exakte Positionierung erforderlich ist. Damit können zum Beispiel herkömmliche Tankstellen genauso wie öffentliche Parkplätze in Parkhäusern, Bahnhöfen oder Flughäfen mit einer induktiven Ladestation ausgestattet werden, die nur durch die Möglichkeit, viele unterschiedliche Fahrzeuge zu laden, wirtschaftlich betrieben werden kann. Durch Standardisierung lässt sich zwar die notwendige Interoperabilität sicherstellen, jedoch kann damit kein Einfluss auf individuelle Aspekte wie Parkdauer, Parkposition oder Zustand der Fahrzeugbatterie genommen werden, welche allesamt die Energieeffizienz der induktiven Übertragung mitbestimmen und so die Betriebskosten bzw. Kosten für den Kunden mit beeinflussen. Hierzu ist eine elektronische Nachjustierung der Ladestation auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen möglich und vor allem notwendig, um die entstehenden Blindströme niedrig zu halten und so den gesamten Stromverbrauch in jeder Betriebssituation zu optimieren. Das bedeutet im Endeffekt auch die Ladezeiten zu verkürzen, Reichweiten zu erhöhen und eine hohe Auslastung der Ladestation zu erreichen.

Finepower hat mit Hilfe erster Messergebnisse die grundsätzliche Funktion und die technischen Verbesserungsziele bereits bestätigt. Im weiteren Projektverlauf wird eine Überarbeitung der adaptiven Kompensation und des primären Spulendesigns erfolgen, damit einerseits auch bei extremem Positionsversatz überhaupt Energie übertragen werden und andererseits eine weitere Effizienzerhöhung im Nennbetrieb erreicht werden können.

Das Konzept der universellen induktiven Energieübertragung ist nicht auf den Bereich Automotive oder speziell Elektromobilität beschränkt, sondern kann auch für industrielle Zwecke, vor allem im Produktionsprozess, genutzt werden, beispielsweise für die kontaktlose Aufladung von Nutzfahrzeugen wie Gabelstaplern oder kleinen Transporteinheiten. Hier ist es von entscheidender Bedeutung, eine möglichst effiziente, rasche und unkomplizierte Aufladung der Energiespeicher zu erreichen, weil der Stromverbrauch im Wesentlichen die Betriebskosten und damit indirekt auch die Herstell- und Verkaufspreise der Produkte des jeweiligen Unternehmens bestimmt.

 

Die Autoren

 

Dr. Christoph Ziegler

ist im EMV-Labor von Epcos in Regensburg tätig und unterstützt die Entwicklung und Charakterisierung von Komponenten für drahtlose Ladesysteme.

 

 

 

 

 

 

Georg Heiland

ist als Entwicklungsingenieur bei Finepower angestellt und koordiniert im Unternehmen Forschung und Innovationen.