Laden von vorne macht Induktion effizienter – und günstiger

Unsere Zahnbürsten und Smartphones können es längst: sich berührungslos aufladen. Bald folgen Elektroautos. Forscher entwickeln dafür immer effizientere und kostengünstigere Technologien – ein neuer technischer Ansatz will nun das Laden von vorne ermöglichen, anstatt von unten.

„Vor allem im Winter oder bei Regen nervt das Kabel. Schnee, Matsch und Wasser – was an den Kabeln klebt, klebt auch an den Händen“, sagt Dr. Bernd Eckardt, Abteilungsleiter Fahrzeugelektronik am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen. Selbst Elektroautofahrer spricht er aus eigener Erfahrung. Wesentlich komfortabler wäre es, die Stromer berührungslos über die Luft aufzuladen.

Elektromagnetische Induktion heißt das physikalische Prinzip, das dahinter steckt. Dabei überträgt ein Magnetfeld Strom über die Luft. „Jede stromdurchflossene Leitung erzeugt ein Magnetfeld. Dass dieses selbst Strom erzeugt, hat der englische Physiker Michael Faraday im 19. Jahrhundert nachgewiesen. Stimmt die Ausrichtung zweier Leitungen im Magnetfeld überein, kann über die Luft Energie übertragen werden. Das funktioniert im Prinzip wie ein durchgeschnittener Transformator“, erklärt Eckardt. Bekannte Beispiele für diese Energieübertragung sind induktive Ladestationen für elektrische Zahnbürsten oder Smartphones sowie induktive Kochplatten.

Industrie und Wissenschaft arbeiten seit einigen Jahren daran, die Induktion auch für das Laden von Elektrofahrzeugen zu nutzen. Der bisherige Ansatz sind Induktionsspulen auf der Fahrzeugunterseite und Ladestationen im Erdboden. Die Herausforderungen sind groß: Wegen des großen Abstands von bis zu 15 Zentimetern zwischen Fahrzeug und Boden müssen die Spulen leistungsstark, also groß sein. Das treibt die Kosten nach oben. Außerdem besteht die Gefahr, dass Gegenstände oder Tiere die Stromübertragung stören. Katzen zum Beispiel empfinden die leicht erwärmte Ladefläche am Boden als angenehm. Besonders problematisch: Metallische Papiere, wie zum Beispiel Kaugummi- oder Zigarettenverpackungen, können unter das Auto und auf die Induktionsfläche geweht werden und sich so stark erwärmen, dass sie sich entzünden.

Induktionsspule vorne statt unten

Die Erlanger Forscher verfolgen deshalb einen alternativen Ansatz: Im Projekt „Energie Campus Nürnberg“ haben sie innerhalb eines Jahres ein System entwickelt, bei dem das Elektrofahrzeug von der Vorderseite aus geladen wird. Da das Auto näher an die Induktionsquelle fahren kann – sie im Prinzip berührt – sind die Durchmesser der Spulen wesentlich kleiner als bei der Bodenvariante: zehn statt 80 Zentimeter. Das System ist effizienter, kostengünstiger und es ist weniger wahrscheinlich, dass Hindernisse den Energiefluss stören. Die etwa hüfthohe Ladesäule ist aus Kunststoff und gibt nach hinten nach, wenn sie vom Fahrzeug berührt wird. Wenn der Druck zu stark wird, klappt sie nach unten weg. „Das Auto kann quasi darüber hinwegfahren. Schäden an der Karosserie entstehen bei der Berührung nicht“, so Eckardt. Mehrere Spulen – vertikal überlappend in der Säule und horizontal überlappend hinter dem Nummernschild des Fahrzeugs – lassen den Strom auch dann fließen, wenn die Säule nicht exakt von vorne und mittig angefahren wird – egal wie groß oder hoch das Auto ist.

Die Entwickler am IISB arbeiten seit etwa zwölf Jahren an dem Thema Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge und seit zwei Jahren am induktiven Laden. In dieser Zeit bauten die Forscher umfangreiches Know-how bei der Leistungselektronik, der Feldsimulation und der Stromverteilung der elektromagnetischen Induktion auf. Um den Wechselwiderstand möglichst gering zu halten, konzipierten sie beispielsweise die Spulen so, dass diese selbst aus mehreren dünnen, voneinander isolierten, Spulen bestehen. Das Design der Drahtrollen ist wichtig, denn sie sind es, die Richtung und Stärke des Magnetfelds bestimmen.

Drei Kilowatt, Wirkungsgrad 95 Prozent

„Wir haben die Leistung im vergangenen Jahr kontinuierlich hochgeschraubt, so dass unser Prototyp aktuell drei Kilowatt (KW) mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent überträgt. Aktuelle Elektroauto-Modelle sind innerhalb einer Nacht aufgeladen“, sagt Eckardt. Ziel der Forscher ist es nun, die Leistungsstärke der Spulen weiter zu erhöhen – insbesondere, um den Entwicklungen in der Batterietechnologie gerecht zu werden – und den Preis für die Ladestation weiter zu senken. „Ladesäulen werden heute mit dem Auto verkauft. Nur wenn der Preis stimmt, wird aus der Technologie ein Massenprodukt“, so Eckardt.