| Projektpartner | Audi Electronics Venture GmbH, Paul Vahle GmbH Co. KG, Volkswagen AG |
| Förderer | BMU |
| Projektlaufzeit | 1.1.2010 - 30.9.2011 |
| Bearbeitende | Heike Barth, Prof. Dr. Martin Braun (Projektleitung), Marco Jung, René Marklein |
Bei der Entwicklung von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge konzentrieren sich derzeitige Forschungs- und Infrastrukturprojekte auf die einfachste Form der Verknüpfung des Fahrzeugs mit dem Netz: das Stromkabel. Das Hantieren mit Stromkabeln ist jedoch für den Nutzer umständlich und birgt zudem ein erhöhtes Sicherheitsrisiko durch herumhängende oder beschädigte Kabel.
Eine Alternative ist die kabellose Netzankopplung auf Basis einer induktiven Energieübertragung. Diese Technik ermöglicht die Gestaltung eines einfachen und zuverlässigen Ladevorgangs. Dies wird die Kundenakzeptanz erheblich erhöhen und somit dazu beitragen, Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeuge in höherem Maße in den Markt einzubringen.
Im Projekt W-Charge werden die Möglichkeiten des kabellosen Ladens von Elektrofahrzeugen intensiv erforscht sowie ein grundlegendes Konzept zur Fahrzeugintegration entwickelt und umgesetzt.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems wird in einem Feldtest unter realen Bedingungen untersucht. Hierbei sollen notwendige Verbesserungen für den Übergang zu einer Integration in Serienfahrzeuge ermittelt werden.
Bei der Entwicklung von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge konzentrierten sich bisherige Forschungs- und Infrastrukturprojekte auf die einfachste Form der Verknüpfung des Fahrzeugs mit dem Netz: das Stromkabel. Allerdings sind mit der kabelgebundenen Netzankopplung auch Nachteile verbunden, denn ein vergessenes Einstecken des Kabels führt zu nicht geladenen Stromspeichern und herumhängende Kabel können zu Stolperfallen werden. Außerdem bieten Kabelverbindungen im öffentlichen Raum ein einfaches Ziel für Vandalismus und Sabotage.
Eine Alternative dazu ist die kabellose Netzkopplung auf Basis einer induktiven Energieübertragung, welche den genannten Nachteilen entgegenwirkt und eine erhöhte Sicherheit und verbesserten Bedienkomfort als Vorteile aufweist. Die Vorteile dieser auch als kontaktlose Netzkopplung bezeichneten Variante können außerdem zu einer höheren Nutzerakzeptanz und damit zu einer häufigeren und längeren Kopplung mit dem Stromnetz führen. Dies ermöglicht eine verbesserte Integration ins Energieversorgungsnetz durch mehr Freiheitsgrade für das Speichermanagement.
Daher wurden im Vorhaben W-Charge die Möglichkeiten des kabellosen Ladens von Elektrofahrzeugen intensiv erforscht. Ziel war die Untersuchung eines grundlegenden Konzepts für das kabellose Laden mit einem Wirkungsgrad > 90% unter Einhaltung der Sicherheitsstandards der Automobilindustrie. Die zu untersuchenden Komponenten wurden in Elektrofahrzeuge von zwei verschiedenen Fahrzeugherstellern als Demonstratoren vollständig integriert. Hierbei handelte es sich um zwei unterschiedliche Fahrzeugtypen: Ein rein batterieelektrisches Fahrzeug (AEV) sowie ein PlugIn-Hybridfahrzeug (Volkswagen). Herausforderungen waren dabei unter Anderem die Einbindung der Ladeinfrastruktur in die Fahrzeuge, die kabellose Kommunikationsverbindung zwischen Fahrzeug und Ladeinfrastruktur sowie die Positionierung von Fahrzeugen und Stromabnehmern für den Ladevorgang. Abschließend wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Systeme untersucht, um die notwendigen Verbesserungen für den Übergang zu einer Integration in Serienfahrzeuge zu ermitteln.
Das kabellose Laden stellt außerdem neue Anforderungen an die fahrzeugseitigen Ladegeräte, damit diese ein flexibles Laden mit verschiedenen Technologien gewährleisten können. Aus diesem Grund wurde auch die gerätetechnische Integration von kabelloser und kabelgebundener Ankopplung des Fahrzeugs an das Netz untersucht. Das Ziel war hier die Konzeptentwicklung und hardwaretechnische Umsetzung eines Stromrichters, der die kabellose sowie kabelgebundene Netzkopplung in nur einem kompakten Gerät ermöglicht.
Das Ziel des kabellosen Ladens von Elektrofahrzeugen ist die Gestaltung eines einfachen und zuverlässigen Ladevorgangs. Dies wird die Kundenakzeptanz erheblich erhöhen und trägt somit maßgeblich dazu bei, Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeuge in den Markt einzuführen.
Zur Steigerung der Kundenakzeptanz von Elektrofahrzeugen spielen der Komfort und die Anwenderfreundlichkeit eine entscheidende Rolle. Das Ziel des kabellosen Ladens von Elektrofahrzeugen ist daher die Gestaltung eines einfachen, zuverlässigen und idealerweise automatisierten Ladevorgangs. Dies kann die Kundenakzeptanz erheblich erhöhen und somit dazu beitragen Elektro- und PlugIn-Hybridfahrzeuge verstärkt in den Markt einzuführen.
Ein wichtiger Aspekt für die Entwicklung eines Systems zur induktiven Ladung ist die Einhaltung von Sicherheitskriterien, insbesondere im Bezug auf das magnetische Feld. Für das Projekt W-Charge wurde auf die Anwendungsregel zur induktiven Ladung zurückgegriffen, die parallel zur Systementwicklung auf nationaler Ebene entstand und zum Schutz von Personen, Tieren und Sachwerten bestimmte Eckpunkte vorgibt. Diese Eckpunkte umfassen Obergrenzen für die zulässigen elektromagnetischen Felder (als Referenz gilt die ICNIRP) und die maximal zulässige Erwärmung von Gegenständen innerhalb des Luftspalts sowie Vorgaben zur mechanischen Dimensionierung der Systemkomponenten.
Unter diesen Randbedingungen konnte das induktive Ladesystem unter Laborbedingungen bereits eine Leistung von bis zu 3 kW übertragen, ohne kritische Werte zu überschreiten. Auch die angestrebte Effizienz von 90% ließ sich im Labor bestätigen. Zusätzlich wurde die prinzipielle Machbarkeit einer integrierten Datenübertragung gezeigt. Diese soll es ermöglichen, sicherheitsrelevante Daten sowie Daten zur Ladeablaufsteuerung und Abrechnung zeitgleich zur Energie kontaktlos zu übertragen.
Das Ladesystem besteht aus zwei Hauptbestandteilen. Der erste Teil ist eine Art Platte, die mit einer Höhe von nur 2,5 cm flach auf den Boden gelegt werden kann und ein Magnetfeld für die Energieübertragung ins Auto erzeugt. Optional kann diese Einheit auch im Boden verlegt werden und ist somit ebenerdig und so gut wie unsichtbar.
Der zweite Teil des Ladesystems bildet die dazugehörige Empfangsspule, die ebenfalls für den Kunden unsichtbar in den Unterboden des Fahrzeugs integriert ist. Sie wandelt die magnetische Energie in Strom um und führt diesen der Antriebsbatterie zu. Für diese Spule wurden zwei Varianten entwickelt. Die flache Variante weist bei einer Fläche von 80cmx80cm eine Höhe von nur 16mm auf. Die kompakte Version misst eine Dicke von 36mm beinhaltet jedoch ebenfalls die elektronischen Komponenten, welche ansonsten in einem externen Modul untergebracht werden müssen. Auf diese Weise ergibt sich ein flexibel gestaltbares System, das den Randbedingungen von unterschiedlichen Fahrzeugen angepasst werden kann.
Das gesamte Ladesystem ist vollkommen wetterunabhängig. Regen, Wind, Sonne oder Schnee haben keinen Einfluss auf den Ladevorgang. Solange kein Fahrzeug auf dem Ladeplatz steht, ist die Energieübertragung deaktiviert.
Im Rahmen von W-Charge war es möglich, zwei Demonstratoren (ein rein batterieelektrisches Fahrzeug sowie ein PlugIn-Hybridfahrzeug) mit dem im Projekt entwickelten kontaktlosen Ladesystem auszustatten. Das oben beschriebene induktive Ladesystem wurde am Unterboden der Fahrzeuge befestigt. Hierfür wurden die Komponenten entsprechend des jeweils vorhandenen Bauraums am Unterboden der Fahrzeuge dimensioniert. Mit dem entstandenen Konzept, welches unter der Prämisse der Interoperabilität mit Systemen anderer Hersteller und Einhaltung abgestimmter Schutzziele für den öffentlichen Raum entwickelt wurde, konnte erfolgreich das Wirkprinzip dargestellt werden. Die Erkenntnisse aus dem Projekt, auch bezüglich des Einflusses des Fahrzeugs auf das magnetische und elektrische Verhalten kontaktloser Energieübertragungssysteme, werden wesentlich dazu beitragen, hier die Entwicklung und Standardisierung voranzutreiben.
Zusätzlich konnten Messverfahren erarbeitet und eingesetzt werden, die eine Performance-Analyse und eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Systeme ermöglicht. Die Anwendung dieser Testspezifikation ermöglicht es mit relativ geringem Aufwand, eine Aussage über die Grundeigenschaften eines induktiven Ladesystems und über dessen erwartete Zulassungsfähigkeit zu bekommen. Weiterhin ermöglicht sie, verschiedene Systeme vergleichbar zu machen. Ergebnisse sind reproduzierbar und nachvollziehbar, was für die Entwicklung hin zu einem Serienprojekt von essenzieller Bedeutung ist.
Im Gegensatz zu den heute üblichen Parkvorgängen ist zur optimalen Nutzung des induktiven Ladesystems ein präziseres Einparken notwendig. Aus diesem Grund wurden Studien zum Einparkvorgang durchgeführt, deren Ergebnisse Anforderungen an das induktive Ladesystem und notwendige, zukünftige Entwicklungsschwerpunkte aufzeigen.
Die Analyse zur Einparkgenauigkeit hat gezeigt, dass durch verschiedene Hilfsmittel, elektronische und nicht-elektronische, eine ausreichend genaue Fahrzeugpositionierung möglich ist. Ohne jegliche Positionierhilfe ist dies nicht zu erreichen. Rangieren bzw. genaues Positionieren kann zu zusätzlichem Zeitaufwand führen. Erste Tests haben jedoch gezeigt, dass der Zeitaufwand bei induktivem Laden nur etwa ein Viertel so hoch wie bei kabelgebundenem Laden ist, da manuelle Steckvorgänge entfallen. Dies zeigt, dass induktives Laden zu einer deutlichen Komfortverbesserung für Nutzer von Elektrofahrzeugen führt.
Um die Nutzerakzeptanz von Elektrofahrzeugen sowie die Verfügbarkeit im Netz zu steigern, sollten die Fahrzeuge durch unterschiedliche Ladetechnologien geladen werden können. Zusätzlich sollte mit Hinblick auf eine zukünftige Netzstützung durch Elektrofahrzeuge eine bidirektionale Ladeinfrastruktur zur Verfügung stehen, welche die zuvor vom Fahrzeug aufgenommene Energie dem öffentlichen Netz wieder zur Verfügung stellen kann. Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Batterie über entsprechende Ladegeräte und ein Kabel mit dem Niederspannungsnetz verbunden. Die meisten Ladeinfrastrukturen können zwar 1-phasig und 3-phasig laden, bieten allerdings keine Möglichkeit kabellose, induktive Ladesysteme effektiv anzukoppeln.
Das im Projekt W-Charge am Fraunhofer IEE (ehemals Fraunhofer IWES) entwickelte Labormuster für die fahrzeugseitige Ladeinfrastruktur ermöglicht eine kabelgebundene 1-phasige und 3-phasige Ladung an Wechselspannung, Ladung an Gleichspannung sowie eine Ankopplung an eine induktive Übertragungsstrecke zur Ladung der Fahrzeugbatterie. Zusätzlich kann die Energie ins Niederspannungsnetz zurückgespeist werden. Hierbei werden die gleichen Leistungshalbleiter und Induktivitäten für die unterschiedlichen Energiewandlungen verwendet. Die Betriebsführung entscheidet mittels entsprechender Regelalgorithmen und einer Umschalteinheit, welche Quelle zur Ladung der Batterie verwendet werden soll. Diese Mehrfachnutzung der Komponenten verringert den Platzbedarf, das Gewicht sowie die Kosten.
Die Abbildung zeigt das Konzept des höher integrierten Stromrichters, welcher derzeit als Labormuster aufgebaut ist. Die Netztrennstelle (ENS) beinhaltet alle notwendigen Komponenten bezüglich der Netztrennung sowie der Aufschaltung. Durch die Koppelstelle (KS) kann die Betriebsführung entscheiden, ob die Energie kabelgebunden dem öffentlichen Netz entnommen, oder ob die Energie der induktiven Übertragungsstrecke verwendet werden soll. Der bidirektionale DC/AC- oder wahlweise DC/DC-Wandler dient zur Anpassung der Wechselspannung vom Netz und der Gleichspannung der induktiven Strecke auf das vorgeschriebene Niveau für den darauffolgenden DC/DC-Wandler sowie im Falle der Rückspeisung umgekehrt. Der DC/DC-Wandler stellt den erforderlichen Ladestrom für die Batterie und den entsprechenden Rückspeisestrom zur Verfügung.
Concept Evaluation of an Inductive Charging System for Electric Vehicles,
H. Barth, M. Jung, M. Braun, B. Schmülling, U. Reker
Höher integrierter Stromrichter - Kombiniert kabelgebundenes und induktives Laden von Elektrofahrzeugen, M. Jung, H. Barth, M. Braun
Das Projekt W-Charge war auf der HANNOVER MESSE 2011 vertreten. Innerhalb der Leitmesse MobiliTec hatten wir die Gelegenheit das Projekt W-Charge auf dem Messestand des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) neben weiteren Förderprojekten der Öffentlichkeit zu präsentieren. Hier drehte sich alles um das Thema Elektromobilität unter dem Motto »sauber, schonend, sparsam und praktisch«.
W-Charge Stand auf der Hannover Messe mit Prototyp der fahrzeugseitigen Spule zur Energieaufnahme sowie Funktionsmuster zur induktiven Energieübertragung
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und