Induktive Ladekonzepte verzichten auf lästige Leitungen

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Erste Prototypen mit 90% Effizienz

Erste Prototypen, die eine Leistung von 3 kW mit einem Wirkungsgrad in der Größenordnung von 90% kabellos übertragen können, existieren bereits. Mit der Entwicklung von 22 kW Ladesystemen beschäftigen sich bereits auch einige Hersteller und Forschungsinstitute.

Bild 4 gibt einen Überblick über die Komponenten eines induktiven Ladesystems im Fahrzeug und auf der Infrastrukturseite. Die Primärspule wird im Boden installiert, während die Sekundärspule in den Unterboden des Fahrzeuges integriert ist. Eine mechanische Schutzvorrichtung in Form einer Platte zwischen dem Fahrzeuginnenraum und der Sekundärspule schirmt das magnetische Feld ab.

Bildergalerie

Bild 2: Magnetische Kopplung zweier Spulen zur Übertragung der elektrischen Energie (induktive Energieübertragung).(Bild: Uni Stuttgart Institut für Elektrische Energiewandlung)

Bild 3: Schematischer Aufbau eines induktiven Energieübertragungssystems.(Bild: Uni Stuttgart Institut für Elektrische Energiewandlung)

Bild 4: Komponentenübersicht einer induktiven Ladestation.(Bild: Uni Stuttgart Institut für Elektrische Energiewandlung)

Bild 5: Leistungsflussdiagramm einer induktiven 3-kW-Ladestation.(Bild: Uni Stuttgart Institut für Elektrische Energiewandlung)

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Dieses System wurde im Rahmen des Projekts BIPol (Berührungsloses, Induktives und Positioniertolerantes Laden), gefördert von der Initiative Cluster Elektromobilität Süd-West, realisiert.

Vom Stromnetz kommend wird die Wechselspannung über einen aktiven Gleichrichter gleichgerichtet. Nach der Gleichrichtung folgt ein DC/DC-Wandler, der zur Leistungsregelung dient. Es erfolgt dann die Wechselrichtung der Zwischenkreisspannung in eine rechteckförmige Spannung mit einer Frequenz von 50 kHz, die Blindleistungskompensation sowie die elektromagnetische Energiewandlung.

Die in diesem Projekt gewählte Spulentopologie „Circular/Circular“ ist eine kompakte und kostengünstige Variante. Grundsätzlich sind aber auch andere Spulentopologien, wie zum Beispiel das sogenannte Doppel-D bzw. Solenoid, möglich. Des Weiteren ist es möglich, durch die entsprechende Gestaltung der magnetischen Flussführung die Kopplung der Spulen positioniertolerant zu gestalten [J. Heinrich, N. Parspour Contribution to the development of positioning tolerant inductive charging systems http://ieeexplore.ieee.org und EP 2428969 A2 (Coil arrangement for an inductive charging device].

Der Koppelfaktor liegt im Bereich von 0,25 bis 0,35. Die Luftspaltlänge variiert im Bereich von 150 bis 200 mm. Die Kompensation der Blindleistung erfolgt über Kondensatoren, die sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite in Serie zu den Spulen geschaltet sind [M. Zimmer, J. Heinrich : Self-oscillating power converter for an Inductive Charging System,PCIM2013].

Die Analyse des Übertragungsverhaltens ergibt, dass in diesem Fall die Übertragungsstrecke wie eine Stromquelle betrieben werden kann. Das Stromquellenverhalten ist für den direkten Aufladevorgang einer Batterie von Vorteil. Ein aktiver Gleichrichter auf der Sekundärseite sowie ein DC/DC-Wandler bilden die leistungselektronischen Komponenten auf der Fahrzeugseite.

In Bild 5 ist das Leistungsflussdiagramm des induktiven Übertragungssystems zu sehen. Die Messung erfolgte an einer stationären Prototypen-Ladstation. Hier wurde ein Wirkungsgrad von 90% zwischen dem Zwischenkreiskondensator der Primärseite und dem Batterie-Eingang gemessen.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass durch die Erhöhung der Betriebsfrequenz auf über 80 kHz und den Einsatz von verlustarmen leistungselektronischen Elementen sowie die Optimierung der Schirmung zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten auch Wirkungsgradwerte bis 95% erreichbar sind.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Themen der Elektromobilität in der PCIM-Konferenz 2016

Link: International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection ICNIRP

Link: N. Parspour, J. Heinrich, P. Seitz, M. Zimmer: Development of Positioning Tolerant Inductive Charging Systems for Electric Vehicles, EDPC 2013

Link: J. Heinrich, N. Parspour Contribution to the development of positioning tolerant inductive charging systems

Link: 22-kW-Schnell-Ladestation des Folgeprojekts BiPolplus

Link: Beitrag im Original erschienen in: ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung (kostenlose ePaper-Version)

Link: Heftausgabe als pdf

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Stand: 08.12.2025

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