Schwedische Forscher entwickeln effizientes induktives Ladesystem

Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben ein induktives Ladesystem entwickelt, das bis zu 500 kW überträgt und eine Effizienz von 98 Prozent erreicht. Es eignet sich zum kabellosen Laden von elektrischen Fähren, Lkw und Bussen und ist nach Angaben der Forscher so weit entwickelt, dass es bald der Industrie vorgestellt werden kann.

Die Effizienz des Systems wird durch neuartige Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid ermöglicht und durch einen neu entwickelten Kupferdraht, der so dünn wie ein menschliches Haar ist. Das seinen einige Faktoren, „die es plötzlich realistischer machten, hohe Leistung durch die Luft zu übertragen“, heißt es in der Mitteilung der Universität.

Das „Ground Pad“, welches infrastrukturseitig verbaut wird, und das ins Fahrzeug integrierte „Onboard Pad“ sind jeweils rund zwei Quadratmeter groß. Bei einem Luftspalt von 15 Zentimetern konnten die Forschenden noch 500 kW Gleichstrom mit einer Effizienz von 98 Prozent vom „Ground Pad“ zum „Onboard Pad“ übertragen. Das würde einem Verlust von zehn Kilowatt entsprechen.

„Entscheidend ist, dass wir jetzt Zugang zu Hochleistungshalbleitern auf Basis von Siliziumkarbid, sogenannten SiC-Bauelementen, haben. Als leistungselektronische Produkte sind diese erst seit wenigen Jahren auf dem Markt“, sagt Yujing Liu, Professor für elektrische Energie an der Fakultät für Elektrotechnik in Chalmers. „Sie ermöglichen uns, im Vergleich zu klassischen Komponenten auf Siliziumbasis, eine höhere Spannung, eine höhere Temperatur und eine viel höhere Schaltfrequenz zu verwenden.“ Letzteres ist sehr wichtig, da die Frequenz des Magnetfelds die Grenze dafür setzt, wie viel Leistung zwischen zwei Spulen einer bestimmten Größe übertragen werden kann.

SiC-Halbleiter und dünnere Drähte bringen den Durchbruch

Laut dem Professor arbeitet sein Team mit viermal höheren Frequenzen als die früheren Systeme zum drahtlosen Laden von Fahrzeugen, die mit etwa 20 kHz arbeiten. Mit dem Sprung auf 80 kHz „wird Induktion plötzlich attraktiv“, erklärt Yujing Liu. Seine Forschungsgruppe stehe in engem Kontakt mit den weltweit führenden Herstellern von SiC-Modulen, zwei Unternehmen mit Sitz in den USA bzw. Deutschland. „Mit ihnen findet eine rasante Produktentwicklung hin zu noch höheren Strömen, Spannungen und Wirkungen statt“, so Liu. „Alle zwei, drei Jahre kommen neue Versionen auf den Markt, die mehr aushalten. Derartige Komponenten sind wichtige ‚Enabler‘ mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise in Elektrofahrzeugen, also nicht nur für das induktive Laden.“

Aber nicht nur die SiC-Module sind für die Effizienz wichtig, ein weiterer Technologiesprung betrifft die Kupferdrähte in den Spulen, die das oszillierende Magnetfeld aussenden bzw. empfangen. Laut Liu seien so hohe Frequenzen mit Spulen aus gewöhnlichem Kupferdraht kaum möglich, da das zu „sehr großen Verlusten bei hoher Frequenz“ führe. Stattdessen bestehen die Spulen jetzt aus geflochtenen „Kupferseilen“, die aus bis zu 10.000 Kupferfasern bestehen, die jeweils nur zwischen 70 und 100 Mikrometer dick sind.

Im Elektroauto sieht Liu die Entwicklung übrigens nicht vor dem Durchbruch, sein Team konzentriert sich auf schwerere Anwendungen. „Ich fahre selbst ein Elektroauto und sehe keinen Nutzen für das Induktionsladen in der Zukunft. Ich fahre nach Hause, stecke ein … kein Problem“, so der Professor. Sein Standpunkt: Für induktive Ladesysteme sind deutlich mehr Komponenten und Rohstoffe nötig als für ein Kabel – also sollten induktive Lösungen nur dort verwendet werden, wo ein Kabel die Nutzung einschränken wurde. „Man sollte wohl nicht behaupten, dass die Technologie an sich nachhaltiger ist. Aber sie kann die Elektrifizierung großer Fahrzeuge erleichtern und damit den Ausstieg beispielsweise von dieselbetriebenen Fähren beschleunigen“, sagt Liu.

Eine elektrische Stadtfähre müsste mithilfe eines Menschen oder eines Roboterarms geladen werden. „Sie können ein System in den Kai einbauen lassen, das die Fähre an einigen Haltestellen auflädt, während die Passagiere ein- und aussteigen. Automatisch und völlig unabhängig von Wetter und Wind kann 30 – 40 Mal pro Tag geladen werden“, sagt Yujing Liu. „Dies ist wahrscheinlich die naheliegendste Anwendung.“ Weitere Anwendungen sieht er in Stadtbussen oder fahrerlose Elektrofahrzeugen, die in Industrie, Bergbau und Landwirtschaft eingesetzt werden.
chalmers.se