Induktives Laden von Elektrofahrzeugen

Siliziumcarbid sorgt für kürzere Ladezeiten

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Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben ein besonders effizientes System zur kontaktlosen Ladung von Elektrofahrzeugen entwickelt. Die ersten Prototypen erzielten einen Wirkungsgrad für die induktive Übertragungsstrecke von 97,4 % bei einem Spulenabstand von 13 cm. Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW. Laut den ISE-Forschern ist es damit möglich, eine übliche Elektrofahrzeugbatterie in weniger als einer Stunde auf 80 % ihrer Nennkapazität zu laden.

Die Energieübertragung erfolgt dabei über ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen. Die stationäre Spule wird in die Straße oder den Parkplatz eingelassen, während die zweite, mobile Spule in den Fahrzeugboden integriert wird. Eine Kabelverbindung zwischen Ladestelle und Elektrofahrzeug ist bei diesem System nicht mehr notwendig. „Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen erhöht nicht nur den Komfort für den Nutzer, sondern ermöglicht auch eine effiziente und vom Nutzer unabhängige Verbindung des Fahrzeugs mit dem Stromnetz“, sagt Stefan Reichert, Teamleiter Netzintegration und Elektromobilität am Fraunhofer ISE.
Alle für die Energieübertragung notwendigen leistungselektronischen Wandler, das Spulensystem sowie die Regelungstechnik wurden im Rahmen des Fraunhofer-Verbundprojekts Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur (GeMo) entwickelt und aufgebaut. Dabei stand die Optimierung der gesamten Wirkungskette des induktiven Ladevorganges im Mittelpunkt. Durch den Einsatz neuer Halbleiterbauelemente aus Siliziumcarbid (SiC) konnte beispielsweise die Effizienz der verschiedenen leistungselektronischen Wandler im gesamten Ladesystem erheblich gesteigert werden. Die geringen Schaltverluste der SiC-Transistoren erlauben eine hohe Taktfrequenz von 100 kHz, wodurch der mechanische Aufbau sehr kompakt und deutlich leichter wird als bei konventionellen Geräten. Weitere Verluste konnten durch die Optimierung der Spulen und des Resonanzkreises minimiert werden. Durch Kompensation mit speziellen Kondensatoren auf stationärer wie mobiler Seite wurde der Blindleistungsbedarf der Spulen und ihres Streufeldes kompensiert. Auch zwischen der Leistungselektronik und den Spulen muss keine Blindleistung ausgetauscht werden.
Zur Komplettierung des Ladesystems entwickelten die Freiburger Forscher auch einen bidirektionalen Wechselrichter zur Anbindung des stationären Teilsystems an das Netz sowie einen bidirektionalen Wandler zur Anbindung des mobilen Teilsystems an die Batterie. Das Ladesystem arbeitet somit durchgehend bidirektional und kann sowohl Strom aus dem Netz ins Fahrzeug übertragen, als auch den zwischengespeicherten Strom aus der Fahrzeugbatterie ins Netz zurückspeisen. bö
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