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 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 unzuverlässig oder beschädigt. Eine bessere Lösung wäre es, auf das Kabel und die Stecker ganz zu verzichten.
Drahtlose Energieübertragung (WPT): Grundlagen und Herausforderungen
26.01.2024
Wir alle kennen die aufladbare Zahnbürste oder das Ladepad für Telefone, die eine drahtlose Energieübertragung mit geringer Leistung nutzen. Aber welche Herausforderungen bringt das drahtlose Laden mit hoher Leistung mit sich, zum Beispiel für ein Elektroauto (EV)?
Inhaltsverzeichnis
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 gewährleisten, dass der Strom nur dann übertragen wird, wenn es sicher ist, ähnlich wie ein modernes Mobiltelefon mit einem Qi-fähigen Ladepad kommuniziert, um zu überprüfen, dass sich keine Fremdkörper im Ladefeld befinden, bevor der Strom eingeschaltet wird.
Der Hauptunterschied zwischen einem Ladegerät für Mobiltelefone und einem Ladegerät für E-Autos besteht in der Höhe der verwendeten Leistung. Für ein drahtloses Hochleistungs-Ladegerät muss der Wirkungsgrad maximiert werden, während Ladegeräte für Mobiltelefone in der Regel nur 70% Wirkungsgrad haben [1]. 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).
Es gibt drei Möglichkeiten, die Effizienz der Energieübertragung zu verbessern: enger gekoppelte magnetische Kreise, Betrieb mit höheren Frequenzen und bessere Impedanzanpassung. Lassen Sie uns zunächst allerdings einen Blick auf die Grundlagen der drahtlosen Energieübertragungstechnologie werfen.
Der Hauptunterschied zwischen einem Ladegerät für Mobiltelefone und einem Ladegerät für E-Autos besteht in der Höhe der verwendeten Leistung. Für ein drahtloses Hochleistungs-Ladegerät muss der Wirkungsgrad maximiert werden, während Ladegeräte für Mobiltelefone in der Regel nur 70% Wirkungsgrad haben [1]. 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).
Es gibt drei Möglichkeiten, die Effizienz der Energieübertragung zu verbessern: enger gekoppelte magnetische Kreise, Betrieb mit höheren Frequenzen und bessere Impedanzanpassung. Lassen Sie uns zunächst allerdings 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 hochfrequente 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 er erfolgreich nennenswerte Mengen an elektrischer Energie übertragen hat. 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 Produkt 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:
| WPT-Verfahren | Reichweite | Frequenz | Verwendung |
|---|---|---|---|
| Induktivität | Kurz | kHz-MHz | Elektrische Zahnbürsten |
| Magnetische Resonanzkopplung | Mittel | kHz-GHz | Telefon-Ladegeräte, EV-Ladestationen |
| Kapazitive Kopplung | Kurz | kHz-MHz | Biomedizinische Implantate |
| Mikrowelle | Lang | GHz | Satelliten |
| Laser | Lang | THz | Drohnen |
Bei kapazitiven und magnetischen WPT-Systemen wird die in einem Einheitsvolumen Luft zwischen Sender und Empfänger gespeicherte Energie wie folgt angegeben:
Die Abbildungen 2, 3 und 4 stammen aus dem RECOM AC/DC Book of Knowledge, Kapitel 10.
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 Lt und Lr 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):
Abb. 3: Auswirkung verschiedener Fehlausrichtungen der Flachspulen auf die Effizienz der induktiven Leistungsübertragung
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 Lt und Lr 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):
Abb. 3: Auswirkung verschiedener Fehlausrichtungen der Flachspulen auf die Effizienz der induktiven Leistungsübertragung
Der Kopplungskoeffizient kann durch das Einfügen von Zwischenspulen erhöht werden, die als „magnetische Linsen“ fungieren und den magnetischen Fluss bündeln. Induktive Resonanzkopplungssysteme mit höherer Leistung können drei oder mehr dieser Spulen verwenden. Diese Zwischenspulen fungieren als Resonanzkreise 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. Selbst wenn nur ein Teil des projizierten magnetischen Flusses von den Zwischenkreisen abgefangen wird, schwingen sie trotzdem mit, sodass Abstand und Ausrichtung nicht so kritisch sind wie bei zwei einfachen flachen Spulen.
Die Resonatoren verstärken die effektive magnetische Feldstärke der Sendespule und konzentrieren das effektive Empfangsfeld in der Empfangsspule, wodurch die Kopplungseffizienz erheblich gesteigert wird. Selbst wenn nur ein Teil des projizierten magnetischen Flusses von den Zwischenkreisen abgefangen wird, schwingen sie trotzdem mit, sodass Abstand und 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 Energieübertragung1 implementiert hat. Das System hat erfolgreich eine Ladegeschwindigkeit von bis zu 19kW demonstriert.
1 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
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 Energieübertragung1 implementiert hat. Das System hat erfolgreich eine Ladegeschwindigkeit von bis zu 19kW demonstriert.
1 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
Hochfrequente drahtlose Energieübertragung
Das Laden per Induktion mit dem niederfrequenten 50/60-Hz-Wechselstrom aus dem Stromnetz ist zwar möglich, aber für höhere Leistungen ineffizient. Je höher die Sendefrequenz ist, desto mehr Leistung kann gemäß der folgenden Formel übertragen werden:
Dabei ist die Ausgangsleistung, Pout, gleich der Winkelfrequenz bei Resonanz, ω0, multipliziert mit der gegenseitigen Induktivität, M, dem Strom in der Sendespule It und dem daraus resultierenden induzierten Strom in der Empfangsspule, Ir. 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 die Systemeffizienz beeinflusst, ist die Anpassung der Impedanzen von Versorgung, Spule und Last. Die maximale Effizienz der Leistungsübertragung (PTEmax) lässt sich aus der folgenden Beziehung ableiten (bei Resonanz):
Dabei sind RL, Rt and Rr die ohmschen Widerstände von Last, Sender und Empfänger.
Für eine optimale Leistung sollten die reflektierte Impedanz der Last sowie die Impedanzen der Empfangs- und Sendespule aufeinander abgestimmt sein.
Dies bringt einige praktische Probleme bei der Konstruktion des WPT-Systems mit sich. Das Frontend der Hochstromversorgung und der Wechselrichter für den Sender haben eine sehr niedrige interne Impedanz, sodass ein Hochfrequenz-Impedanzanpassungstransformator erforderlich sein kann. Auch die Last ist ein Akkupack mit einer nichtlinearen Innenwiderstandscharakteristik. 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).
Abb. 6: WPT-Leistungsstufen mit erwarteten Umwandlungswirkungsgraden
Um die Effizienzziele zu erreichen, muss das aktive Frontend (AC/DC-Wandlung und Leistungsfaktorkorrektur) eine brückenlose Totem-Pole-Konfiguration verwenden und der Wechselrichter eine Vollbrücke oder eine Variante einer LLC-Topologie. Beide Designs benötigen mehrere isolierte Transistor-Gate-Treiber. Hier kann RECOM WPT-Designs mit standardmäßigen und programmierbaren isolierten Gate-Treiber-DC/DC-Stromversorgungen 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.
Abb. 8: Beispielschaltung eines Vollbrücken-Gate-Treibers
Dabei ist die Ausgangsleistung, Pout, gleich der Winkelfrequenz bei Resonanz, ω0, multipliziert mit der gegenseitigen Induktivität, M, dem Strom in der Sendespule It und dem daraus resultierenden induzierten Strom in der Empfangsspule, Ir. 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 die Systemeffizienz beeinflusst, ist die Anpassung der Impedanzen von Versorgung, Spule und Last. Die maximale Effizienz der Leistungsübertragung (PTEmax) lässt sich aus der folgenden Beziehung ableiten (bei Resonanz):
Dabei sind RL, Rt and Rr die ohmschen Widerstände von Last, Sender und Empfänger.
Für eine optimale Leistung sollten die reflektierte Impedanz der Last sowie die Impedanzen der Empfangs- und Sendespule aufeinander abgestimmt sein.
Dies bringt einige praktische Probleme bei der Konstruktion des WPT-Systems mit sich. Das Frontend der Hochstromversorgung und der Wechselrichter für den Sender haben eine sehr niedrige interne Impedanz, sodass ein Hochfrequenz-Impedanzanpassungstransformator erforderlich sein kann. Auch die Last ist ein Akkupack mit einer nichtlinearen Innenwiderstandscharakteristik. 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).
Abb. 6: WPT-Leistungsstufen mit erwarteten Umwandlungswirkungsgraden
Um die Effizienzziele zu erreichen, muss das aktive Frontend (AC/DC-Wandlung und Leistungsfaktorkorrektur) eine brückenlose Totem-Pole-Konfiguration verwenden und der Wechselrichter eine Vollbrücke oder eine Variante einer LLC-Topologie. Beide Designs benötigen mehrere isolierte Transistor-Gate-Treiber. Hier kann RECOM WPT-Designs mit standardmäßigen und programmierbaren isolierten Gate-Treiber-DC/DC-Stromversorgungen 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.
Abb. 8: Beispielschaltung eines Vollbrücken-Gate-Treibers
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 15-kW-Wandler akzeptiert einen weiten DC-Eingangsspannungsbereich von 25VDC bis 280VDC und erhöht die Ausgangsspannung auf einen programmierbaren Wert von 200V bis 800VDC, um einen Hochvolt-Batteriestack für E-Autos mit einem Wirkungsgrad von über 97% zu laden. Die integrierte MPPT-Schaltung optimiert die Effizienz der Energieübertragung während des gesamten Ladezyklus. Die CAN-Bus-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit Standard-Batterieverwaltungssystemen und die aktive Lastverteilung zwischen parallel geschalteten Einheiten.
Dieser 15-kW-Wandler akzeptiert einen weiten DC-Eingangsspannungsbereich von 25VDC bis 280VDC und erhöht die Ausgangsspannung auf einen programmierbaren Wert von 200V bis 800VDC, um einen Hochvolt-Batteriestack für E-Autos mit einem Wirkungsgrad von über 97% zu laden. Die integrierte MPPT-Schaltung optimiert die Effizienz der Energieübertragung während des gesamten Ladezyklus. Die CAN-Bus-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit Standard-Batterieverwaltungssystemen und 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 E-Autos zur Norm werden, wird der Komfort, einfach in eine Parklücke zu fahren und die Batterie kabellos aufzuladen, die WPT attraktiver machen, zumal die Technologie bereits existiert, mit der das Fahrzeug autonom fahren und sich über einem Ladepad selbst einparken kann. Letztendlich wird das Laden unterwegs mithilfe von elektrischen Straßen die „Reichweitenangst“ bei E-Autos beseitigen, da die Batterie am Ende der Reise und nicht nur am Anfang 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.
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.
Anwendungen
