Kabelloses Laden: Den Stecker ziehen bei Elektroautos

Aug 15, 2023

Wenn Sie den Besitzer eines Elektroautos fragen, welches Feature er gerne eliminieren würde, wird er wahrscheinlich das Ladekabel nennen: Niemand mag es, jeden Abend daran denken zu müssen, sein Fahrzeug anzuschließen.

Infolgedessen haben mehrere Unternehmen, darunter Delphi, Nissan, Qualcomm und Rolls-Royce, drahtlose Ladetechnologien entwickelt oder getestet, die von Fahrern von Elektrofahrzeugen verlangen, lediglich über einem Gerät zu parken, das in den Garagenboden oder einen Parkplatz eingebaut ist und ihnen die Stromversorgung ermöglicht mit wenig bis gar keinem Aufwand aufstehen.

Es wurden auch andere Ideen vorgeschlagen – etwa die Ausstattung von Straßen mit Ladegeräten –, aber bis heute basieren die meisten Systeme auf einer bekannten Technik namens elektromagnetischer Induktion. Dabei handelt es sich um die gleiche Technologie, die auch zum Laden elektrischer Zahnbürsten verwendet wird. Im einfachsten Fall fließt ein variierender elektrischer Strom durch eine Drahtspule im Sender, der in einer direkt darüber sitzenden Empfängerspule einen ähnlich variierenden Strom erzeugt. Die übertragene elektrische Energie wird dann in die Batterie eingespeist und lädt diese wieder auf. Bei einer Zahnbürste sitzt der Sender im Sockel, während der Empfänger in der Bürste sitzt.

Aber nicht jeder hält die elektromagnetische Induktionstechnologie über einen Luftspalt – etwa von einer Ladestation bis zu einem Auto – für die perfekte Lösung. Kritiker weisen darauf hin, dass es möglicherweise Streufunkwellen aussendet oder in der Nähe befindliche Metallgegenstände aufheizt, wenn es nicht richtig konstruiert ist – zwei Probleme, von denen die Industrie für drahtlose Elektrofahrzeuge weiß, dass sie die Technologie zum Scheitern bringen könnten, wenn die Öffentlichkeit sie als gefährlich empfindet. „Wahrnehmen“ ist hier das Schlüsselwort, da die Branche nachdrücklich versichert, dass ihre Energieübertragungstechnologie vollständig getestet wurde und sich als absolut sicher erwiesen hat. „Wir haben diese Schwelle vor zwei Jahren überschritten“, sagt David Schatz, Vizepräsident für Vertrieb und Geschäftsentwicklung bei WiTricity, einem führenden Hersteller von Kfz-Ladegeräten. „Die Codes und Standards werden jetzt geschrieben.“

Pole auseinander

Doch nun haben Forscher der University of British Columbia (UBC) in Vancouver, die sich mit dem Aufladen medizinischer Geräte wie Herzschrittmacher beschäftigen, möglicherweise eine Alternative entwickelt, die Funkemissionen gänzlich vermeidet. Sie haben eine sichere, hocheffiziente Methode entwickelt, die das nutzt, was der angewandte Physiker und Erfinder Lorne Whitehead als „entfernte magnetische Zahnräder“ bezeichnet.

Laut Whitehead nutzt der neue kontaktlose Energieübertragungsansatz eine „magnetodynamische Kopplung“, eine einfache Magnetfeldwechselwirkung zwischen zwei schwenkbaren Permanentmagneten, die durch 10 bis 15 cm (4 bis 6 Zoll) Luft voneinander getrennt sind. Das System verwendet einen Sendermagneten unten und einen Empfängermagneten oben im Auto. Wenn ein kleiner Elektromotor den unteren Magneten dreht, bewirkt das Magnetfeld, dass sich der obere dreht, „so wie ein Kompass einem sich ändernden Magnetfeld folgt“, sagt er. Der obere Magnet treibt dann einen kleinen Generator an, der die Autobatterie auflädt.

„Dieses Magnetfeld zwischen ihnen fungiert im Wesentlichen als mechanische Kopplung – ein unsichtbares magnetisches Riemenscheiben-/Riemensystem, das jedoch keinen direkten Kontakt erfordert und nahezu vollkommen energieeffizient ist“, erklärt Whitehead. Bei der Produktion könnten die beiden Magnete jeweils in den Motor und den Generator integriert werden, wodurch ein zuverlässiges und kompaktes Kraftübertragungssystem entsteht.

„Tests zeigen, dass das System im Vergleich zu einer Kabelladung eine Effizienz von mehr als 90 % hat“, sagt er und das Auto muss nicht einmal perfekt auf das Gerät ausgerichtet sein. Dadurch könnte es in niedrige Bordsteinkanten eingebaut werden, über denen der im Auto getragene Magnet (der unter der Motorhaube installiert ist) hängen würde, sagt er.

Auf dem UBC-Campus ist seit etwa einem Jahr ein Demonstrationssystem bestehend aus vier Ladegeräten erfolgreich im Einsatz, das Elektrofahrzeuge, die mit Empfängermagneten nachgerüstet wurden, drahtlos auflädt. „Seit wir mit dem Testen des Systems begonnen haben, ist das Feedback der Autofahrer überwältigend positiv – sie müssen nur das Auto parken und der Ladevorgang beginnt automatisch“, sagte David Woodson, Geschäftsführer der UBC Building Operations, kürzlich.

Aber nicht alle sind überzeugt. „Es ist wirklich nichts Neues“, sagt John M. Miller, Zentrumsdirektor der Forschungsgruppe für Leistungselektronik und elektrische Maschinen am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. „Zu viele bewegliche Teile; alles kommt auf die Anzahl der beteiligten Energieumwandlungen an.“ Hier gehe die Energie von elektrisch zu mechanisch und zurück zu mechanisch und dann zu elektrisch über, erklärte der Elektroingenieur. Und jeder Schritt bringt einen Verlust an Energieeffizienz mit sich, der sich summiert.

Schatz von WiTricity war ähnlich skeptisch und wies darauf hin, dass sich führende Automobilhersteller bereits auf Designs geeinigt hätten, die „etwa 2015 bis 2017“ eingeführt werden. Das größte Interesse bestehe darin, sie in sogenannten Plug-less-Hybriden einzusetzen, sagt er. Darüber hinaus geht die Branche davon aus, dass künftige Geräte „die Größe und Form eines Blattes Papier erreichen und obendrein leicht sein werden“, was möglicherweise im Widerspruch zum UBC-Magnetsystem steht. Die Energieübertragungstechnologie von WiTricity – manchmal auch als drahtlose Elektrizität bekannt – hat keine beweglichen Teile und nutzt eine hocheffiziente Kopplung zwischen Sender und Empfänger – eine einstufige Energieübertragung.

Das UBC-Team lässt sich jedoch nicht beirren. Ein Patent ist derzeit in Arbeit und Whitehead geht davon aus, dass die Technologie an andere Hersteller lizenziert wird, höchstwahrscheinlich über ein Spin-off-Unternehmen. „Zu diesem Zeitpunkt sehen wir keine technologischen Hindernisse für die Markteinführung dieses Systems und wissen keinen Grund, warum es nicht zum bevorzugten Mechanismus für das kabellose Laden von [Elektrofahrzeugen] werden sollte.“

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