Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | November 2011 - Oktober 2014 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen der Übermorgen-Projekte |
| Kooperationspartner: | Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart; Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Dresden; Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS, Berlin; Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK, München; Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Erlangen |
| Webseite: | www.gemo.fraunhofer.de |
Gemeinschaftlich-e-Mobilität (GeMo)
Hocheffiziente induktive Energieübertragung für Elektrofahrzeuge
Resonanter leistungselektronischer Wandler zur Ansteuerung der stationären Spule in einem induktiven Ladesystem.
Resonant power converter to control the stationary coil in an inductive charging system. ©Fraunhofer ISE
Prototyp einer Spule (Ø ca. 70 cm) zur kontaktlosen Energieübertragung zwischen stationärer Ladestation und Elektrofahrzeug. ©Fraunhofer ISE
Prototype of a coil (Ø ca. 70 cm) for the wireless energy transfer between the stationary charging station and the electric vehicle.
Die berührungslose Energieübertragung findet mittlerweile ein großes technisches Anwendungsgebiet. Nicht nur für die Ladung von Kleingeräten, wie elektrische Zahnbürsten und Handys, sondern auch für die Elektromobilität wird diese Art des Energietransfers als zukunftsweisend erachtet. Das Fraunhofer ISE erforscht im Rahmen des Projekts »Gemeinschaftliche-e-Mobilität (GeMo)« die induktive Energieübertragung. Die dafür notwendigen leistungselektronischen Wandler, das Spulensystem sowie die Regelungstechnik werden am Fraunhofer ISE entwickelt. Durch den Einsatz neuer Leistungstransistoren aus Siliciumkarbid (SiC) konnten der Wirkungsgrad sowie der Leistungsbereich erheblich gesteigert werden.
Die kontaktlose induktive Energieübertragung lässt sich mit dem Prinzip eines Transformators vergleichen. In beiden Fällen wird durch eine primärseitige Wicklung ein wechselndes Magnetfeld aufgebaut, das in einer sekundärseitigen Wicklung eine Spannung induziert. Im Gegensatz zu einem Transformator wird das Magnetfeld jedoch nicht komplett durch einen Eisenkern geführt, sondern das Feld muss einen großen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärseite überbrücken. Aus diesem Grund durchdringt der magnetische Hauptfluss nur teilweise die sekundäre Spule und es entsteht ein hoher Streufluss.
Bei der induktiven Energieübertragung zur Ladung eines Elektrofahrzeugs wird die stationäre Spule in die Straße oder den Parkplatz eingelassen, während die zweite, mobile Spule in den Fahrzeugboden integriert wird. Eine Kabelverbindung zwischen Ladestelle und Elektrofahrzeug ist nicht mehr notwendig. Das System ist so konzipiert, dass auch eine Energieübertragung von der Fahrzeugbatterie zurück in das Stromnetz möglich ist. Dadurch kann Strom aus erneuerbaren Energiequellen in der Fahrzeugbatterie zwischengespeichert und Systemdienstleistungen, wie die Bereitstellung von Regelenergie, angeboten werden.
Eine besondere Herausforderung bei der induktiven Energieübertragung für Elektrofahrzeuge ist es, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Durch den Einsatz neuer Halbleiterbauelemente aus Siliciumkarbid (SiC) kann die Effizienz der verschiedenen leistungselektronischen Wandler im gesamten Ladesystem erheblich gesteigert werden. Die geringen Schaltverluste der SiC-Transistoren erlauben eine hohe Taktfrequenz, wodurch der mechanische Aufbau sehr kompakt und deutlich leichter wird als bei konventionellen Geräten. Weitere Verluste können durch die Optimierung der Spulen und des Resonanzkreises minimiert werden. Durch Kompensation mit speziellen Kondensatoren auf stationärer wie mobiler Seite wird der Blindleistungsbedarf der Spulen und deren Streufelder kompensiert. Auch zwischen der Leistungselektronik und den Spulen muss keine Blindleistung ausgetauscht werden.
Die am Fraunhofer ISE entwickelten Prototypen eines induktiven Energieübertragungssystems erweisen sich als sehr effizient. Sie erzielen einen Wirkungsgrad für die induktive Übertragungsstrecke von 97,4 % bei einem Spulenabstand von 13 cm. Die übertragbare Leistung beträgt dabei bis zu 22 kW.