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Drahtloses Laden

Auto als Batteriepuffer

Finepower
© kinwun – stock.adobe.com

Dank ihrer großen Kapazitäten gelten die Batterien von Elektrofahrzeugen als geeignete Speicher für die Stabilisierung von Stromversorgungsnetzen. Um sie dafür nutzen zu können, müssen Batterieladegeräte, einschließlich drahtloser Systeme, für den Energiefluss in zwei Richtungen ausgelegt sein.

Das Transportwesen ist im Umbruch begriffen. Automatisiertes Fahren zum einen und der Trend zu elektrischen Antrieben zum anderen stellen die Anbieter von Mobilität ebenso wie die Betreiber vor neue Herausforderungen. Besonders im Hinblick auf die nachhaltige Nutzung von Ressourcen, wie den erneuerbaren Energien, gilt die Elektromobilität als ein zentraler Faktor. Dabei ist der erreichbare Grad der Elek-trifizierung, vom Transportwesen über die Industrie bis hin zur Landwirtschaft, davon abhängig, inwieweit es gelingt, eine möglichst effiziente und sichere Ladeinfrastruktur zu installieren.

Bei der zurzeit vorherrschenden Methode der leitungsgebundenen Ladung gibt es Bedenken im Hinblick auf Sicherheit, Robustheit und Komfort, da sie insbesondere bei höheren Leistungen enorme Kabel erfordert. Dagegen gilt das kabellose Laden beziehungsweise die drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) als vergleichsweise sichere und saubere Methode.

Der Begriff WPT geht auf den Wissenschaftler Nikola Tesla zurück, der bereits 1893 eine kontaktlose Ladevorrichtung vorstellte. Seiner Entdeckung liegen das Faraday‘sche Induktionsgesetz sowie die Lenz’sche Regel zugrunde, die den Zusammenhang zwischen Magnetfeldern und elektrischen Spannungen beziehungsweise Strömen beschreiben. Die mit dem größten Erfolg kommerzialisierte Anwendung des WPT-Prinzips ist die induktive Leistungsübertragung, kurz IPT – bisher allerdings beschränkt auf die niedrigen Leistungsniveaus von beispielsweise kleineren Haus- oder implantierbaren Medizingeräten. IPT nutzt die sogenannte Nahfeldkopplung, bei der die Energieübertragung in einem engen Bereich um die Sendevorrichtung erfolgt.

Finepower entwickelt seit mehreren Jahren Lösungen für die drahtlose (induktive) Energieübertragung. Jetzt erweitert das Unternehmen diese Technologie im Forschungsprojekt BiLiA, das vom Bayerischen Wirtschaftsministerium und dem Projektträger VDI-VDE-I gefördert wird, auf den bidirektionalen Betrieb in Verbindung mit leistungsstarken Niederspannungsbatterien.

Der wichtigste Aspekt eines IPT-Systems ist die magnetische Kopplung. Sie entscheidet über das Design der Leistungselektronik, den Wirkungsgrad und die übertragbare Leistung. In einer typischen Anwendung, wie dem Laden von Elektrofahrzeugen, wird die sekundärseitige Spule an der Unterseite des Fahrzeugs befestigt und die Primärspule am Boden installiert.

Die Materialien Ferrit und Aluminium auf den Außenseiten beider Spulen gewährleisten einen Fluss zwischen diesen; durch geeignetes Stapeln von Ferritblöcken beispielsweise lässt sich der magnetische Fluss durch die Baugruppe führen. Der Luftspalt zwischen den Spulen kann, je nach Bodenfreiheit des Fahrzeugs, relativ groß sein. Dies hat eine Streuinduktivität zur Folge, deren Größe im Bereich der Gegeninduktivität liegen kann. Jede Spule in der IPT-Vorrichtung kann kreisförmig oder rechteckig geformt sowie auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein: als Elektromagnet, in DD- oder DDQ-Anordnung oder bipolar.

Die Vorteile der einzelnen Spulensysteme richten sich nach Parametern wie Interoperabilität, Größe, Streufluss, Positionstoleranzen und Komplexität im Betrieb. Bei höheren Leistungen wird eine bifilare Wicklung verwendet, um die magnetomotorische Kraft zu reduzieren. Der Gütefaktor der Spulen begrenzt den Wirkungsgrad des gesamten IPT-Systems; generell lässt er sich durch den Einsatz von Litzen verbessern.

Relevante Anbieter

Finepower, Inductive Charging
Bild 1: Blockschaltbild einer typischen induktiven Ladestation.
© Finepower

Wirkungsgrad verbessern

Das vereinfachte Modell eines typischen induktiven Ladesystems zeigt Bild 1. Ein Hochfrequenzumrichter mit 80 kHz bis 90 kHz wandelt – nach einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) – die gleichgerichtete Netzspannung in eine AC-Rechteckwelle um, die für eine effektive Leistungsübertragung erforderlich ist.

Der hochfrequente Strom durch die Primärspule erzeugt einen Fluss, der wiederum eine Spannung auf der Sekundärseite induziert. Diese Leerlaufspannung UOC ist durch folgende Gleichung (1) gegeben, wobei IP der Spulenstrom auf der Primärseite, M die Gegeninduktivität und ω die Kreisfrequenz (2π·f) bezeichnet:

(1) UOC = jω ∙ M ∙ IP

Wird die sekundärseitige Spule an eine Last angeschlossen, liefert sie eine Leistung Pout, die sich aus nachfolgender Gleichung (2) berechnet. Dabei ist RAC der äquivalente Lastwiderstand (die Impedanz, die durch den aktiven Gleichrichter und die Last auf der Sekundärseite dargestellt wird), Ls die sekundärseitige Induktivität:

(2) Pout = UOC² ∙ RAC/[RAC² + (ω² ∙ Ls²)]

Finepower, Inductive Charging
Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten, eine Kompensationsschaltung auf der Sekundärseite zu implementieren.
© Finepower

Nutzt man das Theorem der maximalen Leistungsübertragung mit dieser Gleichung, erreicht man dieses Maximum bei RAC = ω ∙ Ls. Fügt man in die Gleichung einen Reihenkondensator mit 1/(ω ∙ Cs) ein, um den Term ω ∙ Ls zu eliminieren, kann dies die maximal übertragbare Leistung verdoppeln. Anstelle einer Serienkompensation sind aber auch andere Kompensationstopologien möglich, etwa ein beliebiges T- oder π-Netzwerk, das aus passiven Energiespeicherkomponenten aufgebaut ist. Einige vereinfachte Abstimmnetzwerke auf der Sekundärseite sind in Bild 2 dargestellt.

Die Ausgangsleistung Pout lässt sich mithilfe folgender Gleichung bestimmen, wobei ISC der Spulenstrom bei kurzgeschlossener Sekundärspule und Q2 der Gütefaktor der sekundärseitigen Last ist:

Pout= UOC∙ ISC∙ Q2 = ωM²/Ls ∙ Ip² ∙ Q2

Allerdings nimmt damit auch die Bandbreite des Systems ab, sodass sich das Steuerungssystem schwerer implementieren lässt. Die erforderliche Scheinleistung (in VA) der Sekundärspule erhöht sich ebenfalls.

Die primärseitige Induktivität wird kompensiert, um eine Phasenverzögerung des Umrichterstroms gegenüber der Spannung zu erreichen, sodass die Leistungstransistoren spannungs- und/oder stromfrei schalten und sich so der Systemwirkungsgrad deutlich verbessert. Die Kapazitätswerte werden so gewählt, dass sie mit den jeweiligen Spuleninduktivitäten bei einer einfachen Reihenschlusskompensation (S-S) in Resonanz stehen.

 


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  2. Reduzierte Netzkosten

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