Resonante Energieübertragung als kontaktlose Ladetechnik zukünftiger Elektrofahrzeuge

Abstract:
Das zukünftige Elektrofahrzeug wird unter anderem daran gemessen, welche Reichweite erzielt wird und wie lange eine Aufladung dauert. Während die aktuellen Reichweiten die Infrastruktur von Elektrotankstellen der Energieversorger bzw. Ladestation-Betreiber engmaschiger gestalten werden, wird die Ladezeit die Anzahl an Ladestationen an einer Elektrotankstelle ansteigen lassen. Die Ladestation wird ein elementarer Erfolgsfaktor für Elektrofahrzeuge sein. In diesem Beitrag werden die physikalischen Zusammenhänge eines klassischen unkompensierten Transformators aufgegriffen und auf kompensierte schwach gekoppelte Luftspulen erweitert. Während beim Transformator Luftspalte möglichst vermieden werden, um eine starke magnetische Kopplung zu erreichen, sind Luftspalte in einem kompensierten Übertragungssystem mit vergleichbarer Übertragungsleistung bei Verschiebung der Betriebsfrequenz in den kHz-Bereich problemlos möglich. Kabelgebundene Ladestationen können hohe Leistungen mit einem guten Wirkungsgrad übertragen. Bedingt durch die geringen Reichweiten und langen Ladezeiten heutiger Elektrofahrzeuge würde die Anzahl an Ladestationen steigen und unser klassisches Stadtbild verändern. Bei dichter Besiedlung wären ganze Straßenalleen mit Ladestationen und hängenden Ladekabeln denkbar. Diese sind zusätzlich noch Vandalismus und Witterung ausgesetzt, welche in besonderen Fällen zum Elektrounfall führen könnten. Kontaktlose Ladeverfahren können nahezu den gleichen Wirkungsgrad erzielen, integrieren sich unsichtbar ins Stadtbild und übertragen ähnliche hohe Leistungen. Sie können bei entsprechender Auslegung leichter gegen Witterung und Vandalismus geschützt werden als kabelgebundene Systeme. Allerdings ist die Sicherheit von Personen im magnetischen Wechselfeld insbesondere in diesem Szenario ein wichtiges Thema. In diesem Beitrag wird aufgezeigt, dass bei einer Übertragungsleistung bis 12 kW typische Blechstärken des Fahrzeugbodens ausreichen würden, um innerhalb der Fahrgastzelle magnetische Flussdichten zu erzielen, die unterhalb der ICNIRP-Referenzwerte liegen. Unterhalb der Fahrgastzelle werden allerdings schon bei niedrigen Übertragungsleistungen die Referenzwerte überschritten. Bei einer Etablierung dieser Technologie müsste dieser Bereich besonders behandelt werden bzw. ggf. als Gefahrenzone gekennzeichnet werden.