Drahtlose Energieübertragung (WPT)

Fast alle Besitzer von Plug-in-Elektroautos sind auf ein schweres und teures Kabel angewiesen, um ihr Elektroauto mit einer Ladestation zu verbinden. Das Kabel ist teuer, weil es dick genug sein muss, um den erforderlichen Spitzenladestrom (in der Regel von 11kW bis 100kW oder mehr) zu übertragen, robust genug, um unachtsam in den Kofferraum geworfen zu werden oder bei schlechtem Wetter verwendet zu werden, und zuverlässig genug, um wiederholte Ein- und Aussteckvorgänge zu verkraften. Dennoch haben die Kabel und Stecker eine begrenzte Lebensdauer und werden durch den täglichen Gebrauch irgendwann unsicher, abgenutzt oder beschädigt. Eine bessere Lösung wäre es, auf das Kabel und die Stecker ganz zu verzichten.

Abbildung 1 zeigt ein Konzept für ein drahtloses Ladegerät für Elektroautos. Das Fahrzeug würde einfach über einer Ladespule geparkt und der Strom würde durch induktive drahtlose Energieübertragung geliefert, um die Batterien aufzuladen. Die drahtlose Kommunikation würde sicherstellen, dass der Strom nur dann übertragen wird, wenn es sicher ist, ähnlich wie ein modernes Mobiltelefon mit einem Qi-fähigen Ladepad kommuniziert, um sicherzustellen, dass sich keine Fremdkörper im Ladefeld befinden, bevor der Strom eingeschaltet wird.

Der Hauptunterschied zwischen einem kabellosen Ladegerät für Mobiltelefone und einem für Elektroauto besteht in der Höhe der verwendeten Leistung. Für ein drahtloses Hochleistungs-Ladegerät muss der Wirkungsgrad maximiert werden, während die Ladegeräte für Mobiltelefone in der Regel nur 70% Wirkungsgrad haben₁. Dieser Wert ist für ein kostengünstiges Standardprodukt akzeptabel, wäre aber für eine kabellose Ladestation für Elektrofahrzeuge verschwenderisch. Hier ist ein Systemwirkungsgrad von annähernd 85% erforderlich (AC zu DC).
₁ nach Angaben des Wireless Power Consortiums.

Es gibt drei Möglichkeiten, die Effizienz der Energieübertragung zu verbessern: enger gekoppelte magnetische Kreise, Betrieb mit höheren Frequenzen und bessere Anpassung, aber lassen Sie uns zunächst einen Blick auf die Grundlagen der drahtlosen Energieübertragungstechnologie werfen.

Grundlagen der drahtlosen Energieübertragung

Die WPT-Technologie geht auf die späten 1800er Jahre zurück, als Heinrich Hertz die drahtlose Hochfrequenz-Funkenstrecken-Energieübertragung mit zwei parabolischen Reflektoren zur Fokussierung der HF-Strahlung demonstrierte. Auch Nikola Tesla experimentierte kurz vor der Jahrhundertwende mit gekoppelten elektromagnetischen Resonanzkreisen, aber es gibt keine Beweise dafür, dass es ihm gelungen ist, nennenswerte Mengen an elektrischer Energie zu übertragen. Die früheste erfolgreiche Demonstration der induktiven Energieübertragung war 1910 die Beleuchtung einer Glühbirne, die über einen offenen Transformator gehalten wurde, aber auch dies wurde nicht in ein praktisches drahtloses Stromprodukt umgesetzt. Trotz des ausbleibenden kommerziellen Erfolgs legten diese frühen Pioniere den Grundstein für einige der wichtigsten heute verwendeten Technologien zur drahtlosen Stromübertragung:


Bei kapazitiven und magnetischen WPT-Systemen wird die in einem Einheitsvolumen Luft zwischen Sender und Empfänger gespeicherte Energie wie folgt angegeben:


Dabei sind E und H die Intensität des elektrischen bzw. magnetischen Feldes und ε₀ und μ₀ die Werte für die Permittivität und Permeabilität des freien Raums. Da μ₀ höher ist als ε₀, kann in einem gekoppelten Magnetfeld etwa tausendmal mehr Energie übertragen werden als in einem kapazitiv gekoppelten Feld, wenn man praktische Spannungs- und Stromgrenzen berücksichtigt. Daher eignen sich induktive und magnetische Resonanzkopplung für die höchste Energieübertragung.

Im Wesentlichen verwenden induktive Ladesysteme eine Sendespule, um ein lokales Magnetfeld zu erzeugen, das über die gegenseitige Induktivität in eine Empfangsspule eingekoppelt wird (Abbildung 2):

Die gegenseitige Induktivität M zwischen der Sender- und der Empfängerspule wird durch die täuschend einfache Gleichung angegeben:



Dabei sind L_t und L_r die Wicklungsinduktivitäten der Sendespule bzw. der Empfangsspule und k ein Kopplungskoeffizient, der von den Abmessungen, der Anzahl der Windungen und der Ausrichtung (Orientierung und Abstand) der Spulen abhängt (Abbildung 3):


Der Kopplungskoeffizient kann durch das Einfügen von Zwischenspulen erhöht werden, die als 'magnetische Linsen' fungieren und den magnetischen Fluss bündeln (Abbildung 4). Induktive Resonanzkopplungssysteme mit höherer Leistung können drei oder mehr dieser Spulen verwenden. Bei diesen Zwischenspulen handelt es sich um Resonanztankkreise mit einem Kondensator parallel zur Wicklung, der mit der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes schwingt (Abbildung 5).

Die Resonatoren verstärken die effektive magnetische Feldstärke der Sendespule und konzentrieren das effektive Empfangsfeld in der Empfangsspule, wodurch die Kopplungseffizienz erheblich gesteigert wird. Und selbst wenn nur ein Teil des projizierten magnetischen Flusses von den Zwischenkreisen abgefangen wird, schwingen sie trotzdem mit, sodass der Abstand und die Ausrichtung nicht so kritisch sind wie bei zwei einfachen flachen Spulen.

Die Zwischenresonatoren müssen nicht symmetrisch angeordnet sein, wie in Abbildung 4 gezeigt - wenn der begrenzende Faktor für die Leistungsübertragung ein ausreichender magnetischer Fluss ist, dann werden gepaarte Resonatoren, die nahe an der Senderspule angeordnet sind, das lokale Magnetfeld durch die Kopplungsfaktoren k12 und k23 für einen stärkeren Kopplungsfaktor k34 zur weiter entfernten Empfängerspule vergrößern.

Solche Zwischenkoppelspulen sind für Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung (WPT), bei denen der Abstand und die Ausrichtung zwischen den sendenden und empfangenden Spulen nicht festgelegt sind, unerlässlich. Dies ist beispielsweise bei einer elektrischen Straße der Fall, die ein sich bewegendes Fahrzeug auflädt. Tesla und andere Unternehmen haben Prototypen von In-Road-Ladesystemen entwickelt, bei denen das Fahrzeug über federbelastete Metallstromanschlüsse an der Unterseite verfügt, um während der Fahrt aufgeladen zu werden. Detroit in den USA ist jedoch die erste Stadt in den USA, die ein berührungsloses In-Road-Ladesystem auf Basis der drahtlosen Energieübertragung implementiert hat. Das System hat erfolgreich eine Ladegeschwindigkeit von bis zu 19kW demonstriert.

³ https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/

Hochfrequente drahtlose Energieübertragung

Es wäre möglich, das Laden per Induktion durchzuführen, indem man den niederfrequenten 50/60-Hz-AC-Strom aus dem Stromnetz nutzt, aber das wäre für höhere Leistungen ineffizient. Je höher die Sendefrequenz ist, desto mehr Leistung kann übertragen werden:


Dabei ist die Ausgangsleistung, P_out, gleich der Winkelfrequenz bei Resonanz, ω₀, multipliziert mit der gegenseitigen Induktivität, M, dem Strom in der Sendespule I_t und dem daraus resultierenden induzierten Strom in der Empfangsspule, I_r. Die übertragene Leistung ist also direkt proportional zur Frequenz des magnetischen Wechselfeldes. Die Kernwirbelströme und Schaltverluste nehmen jedoch mit höherer Frequenz zu, sodass es eine optimale WPT-Betriebsfrequenz gibt, die von anderen Systemparametern abhängt, um eine maximale Effizienz der induktiven Leistungsübertragung zu erreichen.

Mit der bestehenden Hochleistungs-Schalttechnologie werden die besten Ergebnisse bei einer Resonanzfrequenz zwischen 20kHz und 150kHz erzielt.

Der letzte wichtige Faktor, der sich auf die Effizienz des Systems auswirkt, ist die Anpassung der Widerstände von Versorgung, Spule und Last. Die maximale Effizienz der Leistungsübertragung (PTE_max) lässt sich aus der folgenden Beziehung ableiten (bei Resonanz):


Dabei sind R_L, R_t and R_r die ohmschen Widerstände von Last, Sender und Empfänger.

Um die beste Leistung zu erzielen, sollten der Widerstand der Last, der Empfangsspule und der Sendespule alle gleich sein.

Dies führt zu einigen praktischen Problemen bei der Konstruktion des WPT-Systems. Das Front-End der Hochstromversorgung und der Wechselrichter für den Sender haben eine sehr niedrige interne Impedanz, sodass ein Hochfrequenz-Impedanzanpassungstransformator erforderlich sein kann, um die höchste gekoppelte Sendeleistung an die Spule zu erhalten. Auch die Last ist ein Akkupack mit einer nicht-linearen Innenwiderstandscharakteristik, die von seinem Ladezustand abhängt. Daher wird eine DC/DC-On-Board-Charging-Einheit (OBC) benötigt, die für eine optimale Leistungsaufnahme impedanzabgestimmt werden kann, ähnlich wie die MPPT-Schaltungen (Maximum Power Point Tracking), die in photovoltaischen DC/DC-Wandlern verwendet werden (Abbildung 6).



Um die Effizienzziele zu erreichen, muss das aktive Frontend (AC-zu-DC-Wandlung und Leistungsfaktorkorrektur) eine brückenlose Totempfahl-Konfiguration oder etwas Ähnliches verwenden (Abbildung 7) und der Wechselrichter muss eine Vollbrücke oder eine Variante einer LLC-Topologie verwenden. Beide Designs müssen mehrere isolierte Transistor-Gate-Treiber verwenden. Hier kann RECOM WPT-Designs mit standardmäßigen und programmierbaren DC/DC-Stromversorgungen mit isolierten Gate-Treibern unterstützen:



Bei Schaltdesigns mit hoher Leistung ist es oft schwierig, die Erdungsstreuinduktivitäten in jedem Bein auszugleichen, was zu asymmetrischer Leistung und Schaltinstabilität führen kann. Die Isolierung der High-Side- und Low-Side-Gate-Treiber beseitigt dieses Problem (Abbildung 8).

RECOM bietet eine Reihe von kompakten Gate-Treiber-Stromversorgungsmodulen mit hoher Isolation, asymmetrischen Ausgangsspannungen für optimales Schalten von Leistungstransistoren und einem weiten Betriebstemperaturbereich an, wodurch sie sich ideal für solche Hochleistungsdesigns, einschließlich bidirektionaler Schaltungen, eignen.

Im Elektrofahrzeug selbst wandelt eine weitere aktive Gleichrichterschaltung den AC-Strom der Empfangsspule um, um einen zwischengeschalteten Buskondensator, CDC, zu laden. Diese ungeregelte DC-Spannung kann zur Versorgung eines leistungsstarken digitalen DC/DC-Wandlers wie dem 15kW OBC von RECOM verwendet werden (Abbildung 9).

Dieser 15kW Wandler akzeptiert einen breiten DC-Spannungsbereich von 25VDC bis 280VDC und erhöht die Ausgangsspannung auf einen programmierbaren Wert von 200V-800VDC, um einen Batteriestack mit hoher Spannung zu laden, mit einem Wirkungsgrad von über 97%. Die integrierte MPPT-Schaltung optimiert die Effizienz der Energieübertragung während des gesamten Ladezyklus. Die CAN-Bus-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit Standard-Batterieverwaltungssystemen und erlaubt die aktive Lastverteilung zwischen parallel geschalteten Einheiten.

Fazit

Die drahtlose Energieübertragung ist eine praktikable technische Alternative zu kabelgebundenen Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, auch wenn sie sich aufgrund der höheren Kosten noch nicht durchgesetzt hat. In dem Maße, in dem Elektroautos eher die Norm als die Ausnahme werden, wird die Benutzerfreundlichkeit und der Komfort, einfach an einen Parkplatz heranzufahren und die Batterie kabellos aufzuladen, die WPT attraktiver machen, zumal die Technologie für das Fahren und Parken des Fahrzeugs bereits existiert. Letztendlich wird das Aufladen von Elektrofahrzeugen (EVs) unterwegs mithilfe von elektrischen Straßen die "Reichweitenangst" beseitigen, indem die Batterie am Ende der Reise und nicht nur zu Beginn vollständig aufgeladen werden kann.

RECOM bietet bereits Produkte an, die es ermöglichen, Hochspannungs-Stromversorgungen und Systeme für die kabellose Ladung von Elektrofahrzeugen zu konstruieren, zu bewerten und zu testen.