Die Bundesregierung hat im Rahmen der Nationalen Plattform Elektromobilität das Ziel definiert, bis zum Jahr 2020 in Deutschland eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen. Vor dem Hintergrund dieser Zielsetzung gewinnt die Funktion des Aufladens von E-Fahrzeugen eine besondere Bedeutung.

Konduktives Laden

Für das Laden von Elektrofahrzeugen stehen derzeit unterschiedliche Systeme zur Verfügung oder befinden sich zum Teil noch in der Entwicklungsphase. Die aktuell verfügbaren Ladestationen für Elektrofahrzeuge basieren überwiegend auf kabelgebundenen konduktiven Lösungen. Die Festlegung der Unterhändler des Europaparlamentes, der EU-Kommission und der EU-Staaten auf einen einheitlichen Steckertyp 2 war ein wichtiger Schritt in Richtung der notwendigen Standardisierung.

Automatisiertes konduktives Laden

Das automatisierte konduktive Laden vereint die Vorteile konduktiver und induktiver Ladesysteme und punktet damit in allen vier Disziplinen: Komfort/Einfachheit, Ladeleistung/Ladedauer, Bediensicherheit und energetischer Wirkungsgrad.

Das kabelgebundene konduktive Ladesystem besteht aus einer Anschlussleitung mit Steckvorrichtungen, die der Nutzer zur Ladung selbstständig betätigt. Die Energieübertragung erfolgt bei richtiger Dimensionierung der Steckvorrichtung mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 %. Dieses derzeit am häufigsten genutzte kabelgebundene konduktive System ist für den Nutzer jedoch umständlich und unpraktisch. Witterungseinflüsse wie Regen, Nässe, Schnee und Eis können störend für den immer wiederkehrenden Ladevorgang sein sowie die Bedienung erschweren.

Induktives Laden

Derzeit in der Entwicklung/Erprobung befindet sich das System des induktiven Ladens. Der Ladevorgang als solches geschieht ohne elektrischen Kontakt, ohne Kabel und ohne Steckverbindungen. Hierbei erfolgt die Energieübertragung mithilfe eines magnetischen Wechselfelds von einer Primär- zu einer Sekundärspule. Der Nutzer kann somit das Stromtanken durchführen, ohne aktiv den Ladeprozess initiieren zu müssen. Das Ziel besteht darin, dem Nutzer mittels berührungsloser Energieübertragung eine anwendungsfreundliche Bedienung anzubieten. Allerdings lässt dabei die Ladeleistung/-zeit zu wünschen übrig, und auch der energetische Wirkungsgrad ist im Vergleich zum konduktiven Laden schlechter.

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Kostal Kontakt Systeme

Automatisierte Ladesysteme

Nach Betrachtung der Vor- und Nachteile der zuvor beschriebenen Ladesysteme ist eine dritte Lösung nur konsequent: Das automatisierte konduktive Laden. Hierbei wird die konduktive Lademethode benutzt, aber automatisiert. Das automatisierte konduktive Laden geschieht vorzugsweise mit Gleichstrom, sodass die Ladung in kurzer Zeit nahezu verlustfrei stattfinden kann.

Das Fahrzeug fährt an die Ladestation heran. Parallel startet eine drahtlose Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation: der Ladevorgang ist initiiert. Die Abdeckung der Station öffnet sich, und das ladestationsseitige Koppelmodul nähert sich dem Fahrzeug. Das Koppelmodul dockt an und richtet sich anschließend an dem fahrzeugseitigen Lademodul nahezu kraftfrei eigenständig aus (siehe Bild am Beispiel Frontkopplung). Hierbei taucht ein Führungs- und Zentrierzapfen von unten in den dafür vorgesehenen Trichter ein. Mögliche Bedienungsfehler wie beim manuellen Steckvorgang sind hier ausgeschlossen. Andocken und eigenständiges Ausrichten schaffen die Voraussetzung für den Aufbau der elektrischen Kontaktierung. Nach Abschluss des Zentriervorgangs sind beide Module automatisiert und mechanisch miteinander verriegelt. Erst jetzt sind die für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Elemente in allen drei Raumachsen zueinander ausgerichtet.

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Kostal Kontakt Systeme

Die elektrische Kontaktierung funktioniert wie folgt: Links und rechts des Führungs- und Zentrierzapfens stellen Keilelemente die Spreizung der vorgespannten Omegafeder sicher. Anschließend fahren die geschützt im Keil befindlichen Stecker in die Omegafeder ein. Durch das Zurückfahren der Keilelemente heben sich die Spreizungen auf und die Kontakte schließen sich. Die Voraussetzungen für eine sichere, nahezu verlustfreie Energieübertragung sind erfüllt, und die Ladung der Batteriemodule beginnt. Bei dem Design der hier beschriebenen Kontaktierung sind die Anforderungen für eine Übertragung von DC-Hochspannung bis 850 V und DC-Hochstrom bis 250 A erfüllt.

Diese neuartige Lösung verbindet Bekanntes mit Komfort. Sie zeichnet sich durch einen hohen Bedienkomfort ohne manuellen Eingriff aus. Im Mittelpunkt steht ein automatisiertes selbstfindendes Kontaktierungssystem, das eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Ladezyklen mit sehr kurzen Ladezeiten ermöglicht – und das bei hoher Bediensicherheit.

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Kostal Kontakt Systeme

Fazit

Ein Systemvergleich der drei möglichen Ladelösungen erfolgt unter Berücksichtigung der vier Kriterien Komfort/Einfachheit, Ladeleistung/Ladedauer, Bediensicherheit und energetischer Wirkungsgrad. Im Bereich der konduktiven Ladung ist zu beachten, dass sowohl die Möglichkeit besteht, mit Wechsel- als auch mit Gleichspannung zu laden. Bei einem Laden mit Wechselstrom ist eine längere Ladedauer zu erwarten, und außerdem entstehen dabei Umrichtungsverluste. Bei der Ladung mit Gleichstrom sind die Eigenschaften Ladeleistung/Ladedauer und der energetische Wirkungsgrad vorteilhaft.

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Kostal Kontakt Systeme

In Gegensatz zur konduktiven Ladung bietet ein induktives Ladesystems einen deutlichen Komfortgewinn. Der Fahrer muss keine Steckverbindung betätigen und ist somit den Witterungs- und Bedienungsproblematiken nicht ausgesetzt. Die Ladung erfolgt automatisch und berührungslos. Nachteilig ist, dass die Ladeleistung deutlich begrenzt ist und aufgrund der Umwandlungs- und Koppelverluste ein niedriger energetischer Wirkungsgrad resultiert.

Betrachtet man das System des automatisierten konduktiven Ladens, ist festzustellen, dass die vier relevanten Kriterien vollumfänglich erfüllt sind. Die hohen Ladeleistungen ermöglichen minimale Ladezeiten.