Wissenschaftler der Göteborger Chalmers-Universität haben eine Technik entwickelt, mit der induktiv mit hoher Leistung elektrische Akkus aufgeladen werden können, ohne dass Mensch oder Maschine einen Ladestecker bedienen müssen. Das berichtet die technologische Universität in einer Pressemitteilung. Die Entwicklung sei soweit gediehen, dass die Technik bald der Industrie vorgestellt werden soll.
Möglich sei dies vor allem durch neue Halbleiter auf der Basis von Siliziumkarbid sowie einen neu entwickelten Kupferdraht, der so dünn wie ein menschliches Haar sein soll. Damit werde es nun deutlich realistischer, hohe Leistungen durch die Luft zu übertragen. „Elektrische Zahnbürsten tun dies schon seit Jahrzehnten. In den vergangenen Jahren haben Mobiltelefone und andere tragbare elektronische Geräte diese Technologie ebenfalls aufgegriffen. Für die hohe Leistung, die zum Aufladen der Batterien in einem Elektrofahrzeug erforderlich ist, erschien die kabellose Option bisher jedoch zu kompliziert und ineffektiv“, führt die Universität aus.
Allerdings stehe nun der Durchbruch bevor – vor allem für Anwendungsfälle, in denen häufig am Tag unter erschwerten Bedingungen geladen werden müsste. Als Beispiel nennen die Wissenschaftler Stadtfähren, die immer wieder über Flüsse oder Buchten hin- und herfahren. Auch Stadtbusse oder fahrerlose Elektrofahrzeuge, die in der Industrie, im Bergbau und in der Landwirtschaft eingesetzt werden, könnten demnach passende Anwendungsfälle darstellen. Schließlich seien extrem hohe Ladeleistungen nur mit sehr schweren und dicken Kabeln möglich – und diese lassen sich wiederum nicht so einfach handhaben.
„Man kann ein System in die Anlegestelle einbauen, das die Fähre an einigen Haltestellen auflädt, während die Passagiere ein- und aussteigen. Der Ladevorgang erfolgt automatisch und völlig unabhängig von Wetter und Wind und kann 30 bis 40 Mal pro Tag stattfinden. Das ist wahrscheinlich die naheliegendste Anwendung.“ – Yujing Liu, Professor der Fakultät für Elektrotechnik in Chalmers
Ermöglicht worden sei dieser Technologiesprung durch die rasante Entwicklung einiger Komponenten und Materialien, die neue Möglichkeiten eröffnet hätten. „Ein Schlüsselfaktor ist, dass wir jetzt Zugang zu Hochleistungshalbleitern auf der Basis von Siliziumkarbid, so genannten SiC-Bauteilen, haben. Diese sind als leistungselektronische Produkte erst seit wenigen Jahren auf dem Markt. Sie ermöglichen uns höhere Spannungen, höhere Temperaturen und eine viel höhere Schaltfrequenz im Vergleich zu klassischen, auf Silizium basierenden Bauteilen“, führt Yujing Liu aus. Das sei wichtig, da die Frequenz des Magnetfelds die Grenze dafür sei, wie viel Leistung zwischen zwei Spulen einer bestimmten Größe übertragen werden kann.
System weniger sperrig als bisherige
„Frühere Systeme für das kabellose Aufladen von Fahrzeugen haben Frequenzen von etwa 20 kHz verwendet, ähnlich wie eine normale Herdplatte. Sie wurden sperrig und die Energieübertragung war nicht sehr effizient. Jetzt arbeiten wir mit viermal höheren Frequenzen. Dann wird die Induktion plötzlich attraktiv“, erklärt Yujing Liu weiterführend. Man stehe dafür im engen Kontakt zu Herstellern von SiC-Modulen – einer in den USA und einer in Deutschland. „Mit ihnen findet eine schnelle Produktentwicklung in Richtung noch höherer Ströme, Spannungen und Effekte statt. Alle zwei bis drei Jahre werden neue Versionen auf den Markt gebracht, die noch mehr aushalten können“, stellt der Professor fest.
Ein weiterer Technologiesprung betreffe die Kupferdrähte in den Spulen, die das oszillierende Magnetfeld aussenden und empfangen, was die eigentliche Brücke für den Energiefluss über den Luftspalt bildet. Hier sei es das Ziel, eine möglichst hohe Frequenz zu verwenden. „Mit Spulen, die mit gewöhnlichem Kupferdraht umwickelt sind, funktioniert das nicht, das würde zu sehr großen Verlusten bei hoher Frequenz führen“, sagt Yujing Liu. Stattdessen bestünden die Spulen nun aus geflochtenen Kupferseilen aus bis zu 10.000 Kupferfasern mit jeweils 70 bis 100 Mikrometer Dicke. Solche Geflechte aus so genanntem Litzendraht, die für hohe Ströme und Frequenzen ausgelegt sind, seien ebenfalls erst seit wenigen Jahren kommerziell verfügbar.
Außerdem gebe es eine neue Art von Kondensatoren, welche die Blindleistung hinzufügen, die eine Voraussetzung dafür sei, dass die Spule ein ausreichend starkes Magnetfeld aufbauen kann. Yujing Liu betont, dass das Laden von Elektrofahrzeugen mehrere Umwandlungsschritte umfasse – zwischen Gleichstrom und Wechselstrom und zwischen verschiedenen Spannungsniveaus. „Wenn wir sagen, dass wir einen Wirkungsgrad von 98 Prozent vom Gleichstrom in der Ladestation bis zur Batterie erreicht haben, bedeutet diese Zahl vielleicht nicht viel, wenn man nicht genau definiert, was überhaupt gemessen wird“, begründet er. Anders ausgedrückt: „Verluste treten auf, egal ob man normales, konduktives Laden verwendet oder mit Hilfe von Induktion lädt. Durch den jetzt erreichten Wirkungsgrad können die Verluste beim induktiven Laden fast so gering sein wie bei einem konduktiven Ladesystem. Der Unterschied ist so gering, dass er in der Praxis vernachlässigbar ist, er liegt bei etwa ein oder zwei Prozent.“
„Wir gehören wahrscheinlich zu den Besten der Welt, was den Wirkungsgrad in dieser Leistungsklasse zwischen 150 und 500 kW angeht.“ – Yujing Liu, Professor der Fakultät für Elektrotechnik in Chalmers
Yujing glaubt jedoch selbst nicht daran, dass die Induktionsladung das Laden mit einem Kabel irgendwann in allen Bereichen ersetzen wird. „Ich fahre selbst ein Elektroauto und kann mir nicht vorstellen, dass ich in Zukunft auf Induktionsladung angewiesen sein werde. Ich fahre nach Hause, stecke den Stecker ein – das ist kein Problem“, sagt er. Doch ist das kabellose Laden eine nachhaltigere Technologie als das Laden auf herkömmliche Weise? „Man sollte wahrscheinlich nicht behaupten, dass die Technologie selbst nachhaltiger ist. Aber sie kann die Elektrifizierung großer Fahrzeuge erleichtern und damit die Abschaffung beispielsweise von dieselbetriebenen Fähren beschleunigen„, sagt der Professor.
Quelle: Chalmers University of Technology – Pressemitteilung vom 02.02.2023
