Clemson University International Center of Automotive Research

Elektrofahrzeuge per Induktion während der Fahrt kabellos laden

20. Januar 2014, 9:20 Uhr | Prof. Dr. Joachim G. Taiber
© Jürgen Fälchle/ Fotolia

Fahrer von Elektrofahrzeugen sollen künftig ihr Fahrzeug während der Fahrt laden können. Ermöglichen soll dies das induktive Laden. Dabei erzeugt Wechselstrom in einer Ladeplatte ein Magnetfeld, das in das Fahrzeug den Strom induziert. Der Strom wird in Gleichstrom gewandelt und in die Batterie eingespeist. »elektrobörse smarthouse« sprach mit Prof. Dr. Joachim G. Taiber, Professor des Clemson University International Center of Automotive Research (CU-ICAR) und Mitglied der IEEE Transportation Electrification Initiative, über den aktuellen Stand dieser Technik.

Herr Prof. Dr. Taiber, zur Zeit forschen einige Unternehmen an einer Zukunftstechnologie, die es ermöglichen soll, Elektrofahrzeuge während der Fahrt kabellos durch das Befahren einer »Ladespur«, also einer eigenen, stromunterlegten Spur auf Straßen oder Autobahnen, aufzuladen. Wie ist der aktuelle Stand?
Derzeit liegt der kommerzielle Fokus der drahtlosen Ladetechnologie auf stationären Anwendungen. Praktisch bedeutet das, dass der Konsument Plug-In-Hybrids und vollelektrifizierte Fahrzeuge »kabellos« aufladen kann. Die Standardisierung wird insbesondere über die SAE Arbeitsgruppe J2954 vorangetrieben. Eine Richtlinie wird Anfang 2014 publiziert, ein Standard wird in ein bis zwei Jahren folgen. Dynamisches drahtloses Laden ist technisch machbar und wurde in Forschungsprototypen bereits erfolgreich demonstriert. Allerdings muss in Bezug auf die Kommerzialisierung der dynamischen drahtlosen Ladetechnologie noch erhebliche Validierungsarbeit geleistet werden - im Besonderen für höhere Energieübertragungsleistungen. IEEE hat eine Arbeitsgruppe eingerichtet, in welcher sich akademische Experten, Industrieexperten und Regierungsvertreter mit der »Vor-Standardisierung« dieser Technologie befassen.

Welche Vorteile bringt diese Art des Ladens?
Der Hauptvorteil des drahtlosen Ladens während der Fahrt liegt in der Automatisierung des Ladevorgangs und der resultierenden zusätzlichen Reichweite - wodurch sich ein Verbrennungsmotors als »Range Extender« sowie der Einsatz einer größeren und damit auch schwereren Batterie erübrigen. Die Alternative zum dynamischen drahtlosen Laden ist das konduktive Schnellladen. Dies führt allerdings zur Unterbrechung der Fahrt. Außerdem sind konduktive Schnellladestationen begrenzt in der Anzahl der Fahrzeuge, die gleichzeitig geladen werden können. Daraus resultieren potenzielle Wartezeiten.

In welcher Relation stehen die Kosten des dafür notwendigen Straßenumbaus gegenüber anderen Ladetechniken? Das ist derzeit schwierig zu quantifizieren, da das dynamische drahtlose Laden noch nicht kommerzialisiert ist. In Expertengesprächen konnte ich bislang erfahren, dass sich die Infrastrukturkosten im besten Falle im Bereich von einigen Hunderttausend Euro pro Fahrbahnkilometer bewegen, im ungünstigsten Falle jedoch bei einigen Millionen Euro liegen - Studien mit belegbaren Daten sind in näherer Zukunft zu erwarten. Um zu besseren Schätzungen zu kommen, müssen noch mehr physische Prototypen gebaut und noch mehr Fallstudien durchgerechnet werden.

Von der Straße bis zum Elektromotor des Fahrzeugs: Die Grafik zeigt das Funktionsprinzip
Von der Straße bis zum Elektromotor des Fahrzeugs: Die Grafik zeigt das Funktionsprinzip.
© Clemson University International Center of Automotive Research

Wie sehen die Kooperationen mit den Autoherstellern aus?
Die Fahrzeughersteller sind derzeit fokussiert auf den Roll-out von stationären drahtlosen Ladestationen. Mit dem Standardisierungsrahmen, der von SAE J2954 vorgegeben wird, können Automobilzulieferer mit stabileren Systementwicklungsparametern arbeiten. Die Automobilhersteller haben somit eine Vielzahl von Zuliefereroptionen für die Technologie des stationären drahtlosen Ladens. Dynamische drahtlose Ladesysteme befinden sich derzeit noch in der Forschungsphase und Automobilhersteller beobachten die Technologieentwicklung - es ist diesbezüglich noch zu früh für Zuliefererentscheidungen.

Worin bestehen die derzeit größten technischen Herausforderungen?
Die größeren Herausforderungen liegen in der Standardisierung der Energieübertragungsfrequenzen, den zulässigen Schwellenwerten für elektromagnetische Feldstärken zur Begrenzung der Gesundheitsrisiken, den geometrischen Parametern für die Spulenpositionierung und die Kühlung für höhere Energieübertragungsleistungen. Wie bereits erwähnt - die Herausforderungen für stationäres drahtloses Laden erscheinen beherrschbar und befinden sich auf einem technischen Konvergenzpfad, denn Zulieferer entwickeln kommerzielle Lösungen, und Standards befinden sich ebenfalls bereits in Entwicklung.

Gibt es europaweite Normungsbestrebungen?
SAE und IEC synchronisieren ihre Standardisierungsanstrengungen mit Fokus auf stationäres drahtloses Laden. IEEE engagiert sich im Bereich dynamisches induktives Laden und berücksichtigt dabei auch IEEE-Kommunikationsstandards.

In welchem Zeitfenster können diese Vorhaben realisiert werden?
Die ersten kommerziellen Lösungen für stationäres drahtloses Laden erreichen derzeit den Markt - zunächst als »Aftermarket«-Lösungen. OEM-Lösungen können in spätestens drei bis fünf Jahren erwartet werden. Erst danach ist mit kommerziellen Lösungen für dynamisches Laden zu rechnen. Hierbei ist auch zu beachten, dass Regelungen zur Infrastrukturfinanzierung sowie zur technischen Standardisierung zwingend ausgearbeitet werden müssen.

Was bedeutet die neue Technologie für Elektroinstallateure?
Für stationäres drahtloses Laden ist der elektrische Installationsprozess vergleichbar mit der Einrichtung von konduktiven Ladesystemen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass anstelle eines Kabels eine Spule zur Energieübertragung verwendet wird. Die Übertragungsleistungen zwischen kontaktbasierten und kontaktlosen Ladesystemen sind vergleichbar. Allerdings dürfen sich beim kontaktlosen Laden keine metallischen Gegenstände zwischen Primärspule und Sekundärspule befinden. Daher ist zu erwarten, dass Fahrzeuge mit einer Fremdobjekterkennung ausgerüstet werden, um Fehlfunktionen zu vermeiden und möglichen Schäden für Haustiere vorzubeugen.

Das Interview führte Pamela Schröder, Redakteurin elektrobörse smarthouse


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