Induktive Ladesysteme für elektrische Fahrzeuge sind aktuell Gegenstand der Erforschung, Entwicklung und Standardisierung. Typische Anwendungsbeispiele induktiver Ladesysteme sind das kontaktlose Nachladen von Flurförderfahrzeugen im industriellen Bereich sowie von Elektrofahrzeugen im Straßenverkehr.

Eine induktive Ladestation mit der Fähigkeit, eine möglichst hohe Anzahl unterschiedlicher Fahrzeugtypen mit entsprechend unterschiedlichen Empfängerspulen und Batteriesystemen zu bedienen, wird aktuell bei Finepower im Rahmen des vom bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft & Medien (StMWi) geförderten Forschungsprojekts „UnIndCha“ („Universal Inductive Charging“) aufgebaut.

TDK Electronics (vormals: Epcos) ist im Projekt als Hersteller von Transmitter- und Receiver-Spulen für induktive Ladesysteme beteiligt und legt ein besonderes Augenmerk auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von universellen Systemen. Des Weiteren unterstützen die Technische Universität München (TUM), Fachgebiet Energiewandlungstechnik, sowie die Hochschule Kempten beziehungsweise das Technologienetzwerk Allgäu (TNA) mit grundlegenden Forschungsarbeiten.

Üblicherweise werden induktive Ladesysteme auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt, wobei der Übertragerspule sender- und empfängerseitig Kapazitäten zugeschaltet sind. Durch diese Kombination kann das System auf die normativ geforderten Übertragungsfrequenzen ausgelegt werden. Durch eine solche Kombination von Spulen und Kapazitäten entsteht ein Schwingkreis, der eine bestimmte Eigenfrequenz, auch Resonanzfrequenz genannt, besitzt.

Gleichung 1

Je nach Positionierung der Sender- und Empfängerspulen zueinander verschiebt sich die Resonanzfrequenz geringfügig zu höheren oder niedrigeren Werten, da sich die für die Resonanzfrequenz maßgebende Induktivität verändert. Um die gewünschte Ladeleistung zur Verfügung zu stellen, muss dann die Übertragungsfrequenz entsprechend angepasst werden.

Bildergalerie
Bild 1:
Schaltung zur variablen Abstimmung eines induktiven Ladesystems, die im Forschungsvorhaben realisiert wurde.
Bild 2:
Zu erwartende Strom- und Spannungsformen an den Übertragerspulen bei einer Betriebsfrequenz, die über der Resonanzfrequenz des Systems liegt (überresonanter Betrieb, ÜR).
Bild 3:
Zu erwartende Amplituden der Oberwellen des Spulenstroms bei einer Betriebsfrequenz, die über der Resonanzfrequenz des Systems liegt (überresonanter Betrieb).
Bild 4:
Zu erwartende Strom- und Spannungsformen an den Übertragerspulen bei einer Betriebsfrequenz, die unter der Resonanzfrequenz des Systems liegt (unterresonanter Betrieb, UR).
Bild 5:
Zu erwartende Amplituden der Oberwellen des Spulenstroms bei einer Betriebsfrequenz, die unter der Resonanzfrequenz des Systems liegt (unterresonanter Betrieb).
Bild 6:
Zu erwartende Strom- und Spannungsformen an den Übertragerspulen bei einer Betriebsfrequenz, die der Resonanzfrequenz des Systems entspricht (resonanter Betrieb, R).
Bild 7:
Zu erwartende Amplituden der Oberwellen des Spulenstroms bei einer Betriebsfrequenz, die der Resonanzfrequenz des Systems entspricht (resonanter Betrieb).
Bild 8:
Prinzip der Messung der magnetischen Feldstärke mit der Rahmenantenne für die Bewertung der EMV-Störaussendungen im Frequenzbereich zwischen 9 kHz und 30 MHz.
Bild 9:
Spektrum des Magnetfelds bei Betrieb mit unterschiedlichen Resonanzkreisabstimmungen, jeweils abseits der Resonanz.
Bild 10:
Spektrum des Magnetfelds bei Betrieb mit derselben Resonanzkreisabstimmung, mit unterschiedlichen Frequenzen (abseits/in Resonanz).
Bild 11:
Spektrum des Magnetfelds bei Betrieb mit derselben Resonanzkreisabstimmung, jedoch unterschiedlich zu Bild 10 mit unterschiedlichen Frequenzen (abseits/in Resonanz).
Bild 12:
Grafische Gegenüberstellung der Harmonischen der Betriebsfrequenz der gemessenen unterschiedlichen Resonanzkreisabstimmungen aus den Bildern 9 bis 11.

Eine alternative Methode verändert nicht die Übertragungsfrequenz, sondern die Resonanzkreisabstimmung. Konkret bedeutet das, dass beispielsweise durch ein Zu- oder Abschalten von zusätzlichen Kapazitäten die Resonanzfrequenz immer auf demselben Wert gehalten wird. Eine im Forschungsvorhaben realisierte Schaltung zeigt Bild 1.

Einfluss auf die elektromagnetische Störaussendung

Die Energieübertragung erfolgt bei induktiven Ladesystemen über ein Magnetfeld, das aus dem hochfrequenten Wechselstrom resultiert, der durch die Übertragerspulen fließt. Betrachtet man diesen Strom an einem digitalen Speicheroszilloskop, so ist eine Sinusform erkennbar, welche der Resonanzfrequenz des Übertragungssystems entspricht. Die Physik der elektromagnetischen Wellen erklärt, dass der zeitliche Verlauf des Magnetfelds identisch mit dem des Spulenstroms ist (Maxwellsches Durchflutungsgesetz):

Gleichung 2

Jedoch kann ein solches System trotz der augenscheinlich idealen Kurvenformen von Strom und Magnetfeld die normativ geforderten Grenzwerte nicht ohne weitere Filtermaßnahmen einhalten. Grund hierfür ist, dass die Stromform nicht exakt sinusförmig ist, sondern je nach Betriebsfrequenz einen mehr oder weniger stark ausgeprägten weiteren, unterschiedlichen Frequenzanteil besitzt. Diese Stromform ist immer dann erkennbar, wenn die Betriebsfrequenz deutlich von der Resonanzfrequenz abweicht. Je nach Vorzeichen der Abweichung ergeben sich folgende beispielhafte Stromformen bei jeweils gleichen Lastbedingungen (Simulation mit Parametern des realen Systems).

Eine Frequenzanalyse der Stromform (FFT) ergibt die folgenden Werte für die Oberwellen (Bilder 3 bis 6).

Oberwellen

Tabelle 1: Vergleich der Oberwellen des Spulenstroms. Finepower

Ein Vergleich der Oberwellen des Spulenstroms zeigt, dass für den Fall „resonanter Betrieb“ die Werte deutlich niedriger ausfallen (Tabelle 1).

Für die Einhaltung normativer Forderungen ist jedoch eine Bewertung der abgestrahlten Magnetfelder notwendig. Folgende Abschätzung gibt einen qualitativen Überblick über die resultierenden abgestrahlten Magnetfelder. Bei einem geraden Leiter, durch den der Strom fließt, kann ein kreisförmiges Magnetfeld angenommen werden, dessen Amplitude umgekehrt proportional zum Abstand einer Magnetfeldlinie zum Leiter abnimmt (Nahfeld).

Gleichung 3

Aus der Normung wird eine Magnetfeldmessung im Abstand von 10 m gefordert. Dies ergibt in dem oben dargestellten Beispiel in etwa folgende Feldstärken (Peak-Werte) (Tabelle 2).

Tabelle 2: Vergleich der Feldstärken (Peak-Werte).

Tabelle 2: Vergleich der Feldstärken (Peak-Werte). Finepower

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