Elektrofahrzeuge: Induktive Energieübertragung

Laden ohne Steckdosen

Strom Laden während der Fahrt. (Bild: Fraunhofer ISE)
Hansjörg Wigger /

Das Laden von Elektroautos ist derzeit noch aufwendig. Dass soll sich ändern. In einem Verbundprojekt mit Industriepartnern haben Fraunhofer-Forscher ein Ladesystem entwickelt, mit dem E-Mobile während der Fahrt von allein Strom tanken. Die Basistechnologie ist das induktive Laden, an dem bei Fraunhofer verschiedene Entwicklungsteams arbeiten.

Im Vergleich zu einem Benziner oder Diesel sind Elektrofahrzeuge unschlagbar umweltfreundlich, sofern der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Dennoch haben sie den Durchbruch bislang nicht geschafft. Das liegt zum einen am hohen Preis, vor allem aber auch daran, dass ihre Reichweite nach wie vor begrenzt ist und dass man die Autos umständlich nachladen muss. Wer Strom tanken will, benötigt heutzutage in der Regel ein Kabel und viel Zeit.

Es wäre geradezu ideal, wenn man das Elektroauto vom Ladekabel befreien und zugleich das Reichweitenproblem lösen könnte. Der Elektromobilität dürften entsprechende Entwicklungen einen gewaltigen Schub bescheren. In einem Gemeinschaftsprojekt haben mehrere Firmen gemeinsam mit Forschern vom Fraunhofer-Institut (IFAM) einen neuen Weg bei der Stromversorgung von Elektroautos eingeschlagen: Sie laden den Wagen während der Fahrt.

Grundlage dieses zukunftsweisenden Ansatzes ist das induktive Laden, an dem seit längerer Zeit geforscht wird - allerdings bislang an stehenden Fahrzeugen. Beim induktiven Laden lässt sich Strom quasi über die Luft durch Magnetfelder übertragen. Dafür benötigt man elektrische Spulen, die zumeinen in der Strasse und zum anderen im Auto verbaut sind. Das physikalische Prinzip der Induktion, nach dem Magnetfelder und Stromflüsse miteinander gekoppelt sind, ist schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt. Aber erst seit wenigen Jahren gibt es dafür auch technische Anwendungen wie den Induktionsherd oder Ladestationen für elektrische Zahnbürsten.

Beim Fahren Strom tanken

In dem seit knapp zwei Jahren laufenden Projekt haben die Partner das induktive Laden jetzt auf eine neue Stufe gehoben und in Lathen/Emsland eine etwa 25 Meter lange Versuchsstrecke aufgebaut, bei der Spulen in den Boden eingearbeitet wurden. Die Aufgabe der Forscher bestand darin, die für das induktive Laden benötigte Technik ins Auto zu bringen. Dazu nutzten sie einen zum Elektrofahrzeug umgebauten Sportwagen, das Demonstratorfahrzeug FreccO.Der Aufwand, den die Forscher dafür betrieben haben, war immens. Zum einen musste ein Strassenaufbau realisiert werden, der dem einer echten Strasse nahekommt. Daher gehörte zu den Partnern auch ein Strassenbauunternehmen, das die Spulen in die Versuchsstrecke integrierte sowie die Firma Alcatel, die die elektronische Ansteuerung der Spulen übernahm. Hinzu kam ein System für die Fahrzeugerkennung. Denn nur wenn ein Fahrzeug die Spulen überfährt, soll Strom fliessen.

Eine Aufgabe der Forscher war es, das induktive Ladesystem in das Elektrofahrzeug zu integrieren. Dabei spielt der Abstand der Fahrzeugspule im Auto zur Spule im Boden eine grosse Rolle. Die Energieübertragung wird umso einfacher und effizienter, je näher sich Spule und Fahrbahn sind. Die Experten des IFAM installierten ausserdem einen Spannungswandler, der die hochfrequente Wechselspannung aus den Spulen an die Gleichspannung des Bordnetzes anpasst. Zudem bauten sie in den Wagen einen Laderegler samt der dazugehörigen Elektronik ein. Alle diese Komponenten integrierten die IFAM-Ingenieure in den elektrischen Antriebsstrang und verknüpften die Technik mit dem elektronischen Kommunikationssystem des Fahrzeugs.

Dass die aufwendige Technik funktioniert, demonstrierten die IFAM-Forscher in der Versuchshalle. Mit 35 Kilometern pro Stunde rollt der FreccO durch das Gebäude und lädt dabei Strom aus den Spulen im Boden. Die Vision der Forscher: In Zukunft werden Fahrzeuge sogar während der Fahrt auf Autobahnen mit Strom geladen. Doch dafür müsste man über viele Kilometer Spulen in die Fahrbahn einbauen. Christian Rüther, der am IFAM für die strategische Projektentwicklung zuständig ist, glaubt, dass sich das realisieren lässt: "Natürlich wird man in einem ersten Schritt nicht aktuell bestehende Autobahnen mit einem Spulensystem nachrüsten. Aber für Neubauabschnitte oder Streckenteile, die ohnehin saniert werden müssen, wäre dies denkbar." Im Projekt wurde auch darauf geachtet, ein Spulensystem für die Strasse zu entwickeln, das so günstig ist, dass es die Baukosten nur geringfügig erhöht.

Rüther glaubt, dass man sich langsam an das dynamische Laden herantasten wird - etwa mit Spulen in einem Taxistand, in dem die Taxen langsam vorwärts rollen, oder in Bushaltestellen. Genau das ist der Fokus der am Projekt beteiligten Forscher. Sie haben kein Auto, sondern die am Institut entwickelte Autotram mit dem induktiven Ladesystem ausgestattet - eine Art Strassenbahn auf Gummireifen, die ähnlich wie ein Stadtbus eingesetzt werden kann. Der Demonstrator verfügt bislang über verschiedene Antriebstechnologien wie Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzelle. Künftig kann er auch während der Fahrt zusätzlich Strom über das dynamische induktive Laden aufnehmen.

Stationäre Systeme

Das induktive Laden - ganz gleich ob stationär oder dynamisch - hat den entscheidenden Vorteil, dass das Kabel entfällt. Kabel sind oft schmutzig, zudem können sie durch Vandalismus zerstört werden. Das berührungslose Laden per Induktion ist da viel komfortabler. Beim stationären induktiven Laden wird das Auto in der Regel mittels Spulen in einer Parkbucht über eine längere Zeit geladen. Da hohe Ströme übertragen werden, können sich dabei allerdings Gegenstände unter dem Auto aufheizen - eventuell sogar entflammen. Auch Tiere wie etwa Katzen, die es sich unter dem Auto gemütlich machen UND direkt im elektromagnetischen Feld befinden, könnten geschädigt werden.

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen haben deshalb eine Alternative zur Induktionsplatte im Boden entwickelt. Bei ihrer Lösung wird das Auto an der Fahrzeugfront in der Nähe des Nummernschilds mit Energie versorgt. Kern der Entwicklung ist eine Ladesäule, an die das Auto bis auf einen kleinen Abstand heranfahren kann. Da das Auto näher an die Sendespule herankommt, sind die Durchmesser der Spulen wesentlich kleiner als bei der Bodenvariante: zehn statt 80 Zentimeter. Sollte das Auto die Säule zu stark berühren, klappt diese einfach nach hinten weg. So werden Schäden am Fahrzeug vermieden.

Induktives Laden ist auch fürs Carsharing interessant. Im Projekt "Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur" (GeMo) setzen sechs Fraunhofer-Institute deshalb unter anderem auf eine zukunftsweisende Infrastruktur aus induktiven Ladestationen und Cloud-basiertem Lademanagement. Das System zur induktiven Ladung der Elektrofahrzeuge entwickelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. Die ersten Prototypen des Ladesystems arbeiten sehr effizient:Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW. Damit lässt sich eine übliche Elektrofahrzeugbatterie in weniger als einer Stunde auf 80 Prozent ihrer Nennkapazität laden.Ob beim Fahren oder Parken - Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, das "Strom tanken" ohne Kabel fit zu machen für den Einsatz in der Praxis. "Beides ist wichtig, um die Akzeptanz der Elektromobilität zu erhöhen.  (Quelle: www.fraunhofer.de)