Ladezeit von 15 Minuten und weniger – Forscher demonstrieren kontaktloses Laden für E-Autos

Vier Jahre nach dem ersten drahtlosen Ladesystem demonstrierten Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ein 20-kW-Ladesystem für Lieferwagen. Erstmals konnte die erhöhte Bodenfreiheit überbrückt werden und elektrische Lieferwagen nach dem Induktionsprinzip geladen werden. Der Übertragungsverlust vom Stromnetz bis zu den Batterieklemmen des E-Autos liegt bei weniger als 8 Prozent.

Bei einem 20-Kilowatt-Niveau würde es etwa drei Stunden dauern, die 60-Kilowattstunden-Batteriepakete des Testfahrzeugs aufzuladen. Konventionelles kabelgebundenes Laden dauert mit dem vorhandenen Bordladesystem normalerweise zwischen fünf und sechs Stunden.

Mobile Akkubank für das Stromnetz im Megawattbereich

Das kontaktlose Ladesystem nutzt das Prinzip der Induktion und unterstützt den Stromtransport in beide Richtungen. Damit sei zudem die Nutzung der Fahrzeugbatterien zur Energiespeicherung möglich. „Die Skalierung der Technologie auf eine Flotte von 50 Lastwagen ermöglicht Energiespeicherung im Megawatt-Bereich“, sagte Omer Onar von der ORNL, der die Arbeiten des technischen Teams im Labor leitete.

Das Ladesystem entnimmt Energie aus dem Netz und wandelt sie in hochfrequenten Wechselstrom um. Dieser wiederum erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld überträgt die Energie über den Luftspalt auf den Fahrzeugboden. Die Sekundärspule im Fahrzeugboden wandelt das Magnetfeld schließlich in Gleichstrom um, mit dem die Batterie des Fahrzeugs aufgeladen wird.

„Es gibt keine Lösung von der Stange, die 20 Kilowatt über einen 28-cm-Luftspalt mit diesen Wirkungsgraden liefern kann“, sagte Onar über die Einzellösung. Jedes Fahrzeug-Modell ist unterschiedlich und erfordere daher eine Anpassung der Technik.

Das Projekt ist das erste seiner Art, das eine Leistungsübertragung bei dieser Geschwindigkeit über einen knapp 30 cm großen-Luftspalt erreicht und die Technologie in eine neue Klasse größerer Fahrzeuge mit größerer Bodenfreiheit vorantreibt.

E-Autos „so schnell wie an der Tankstelle“ aufladen

Bereits deutlich leistungsfähiger ist ein ähnliches Ladesystem für kleinere E-Autos. Bei einer Bodenfreiheit von lediglich 15 Zentimetern könne das Fahrzeug mit 120 kW geladen werden. Für PKW rückt das Ziel der Tankstellen-schnellen Ladung damit in greifbare Nähe.

Durch Optimierung des Spulendesigns konnten die Forscher ihre anfängliche Übertragungsleistung von 20 kW versechsfachen. Dabei war es wichtig, „die gleiche oder eine kleinere Grundfläche als bei der vorherigen Demonstration beizubehalten, um die kommerzielle Einführung zu fördern“, sagte Projektleiter Veda Galigekere im Oktober 2019.

Weiter sagte er: Die Optimierung der Spule verhindert zudem, „dass sich das System nicht erwärmt, keine Sicherheitsprobleme aufwirft und dass der Leistungsverlust während der Übertragung minimal ist.“ Der Wirkungsgrad des 120-kW-Systems liegt bei 97 Prozent.

Bei einer weiteren Steigerung der Ladeleistung auf 350 bis 400 kW reduziert sich die Ladezeit auf 15 Minuten oder weniger. So lange dauert ein durchschnittlicher Tankstopp an der Autobahn mit Toilettengang. Als Zwischenschritt planen die Ingenieure zunächst eine Ladeleistung von 200 kW.

Endziel: Aufladen bei Autobahngeschwindigkeit

Später soll eine Dynamisierung auch das Aufladen während der Fahrt ermöglichen. Ladespulen unter der Fahrbahn übernehmen dabei die Erzeugung des Magnetfeldes. Ob sich das Magnetfeld wie beim Transrapid mitbewegt oder über eine gewisse Strecke dauerhaft jedes darüberfahrende E-Auto lädt, verrieten die Forscher nicht.

Um die Kosten und die Komplexität des dynamischen Aufladens zu minimieren, werden jedoch Ladesysteme mit höherer Leistung benötigt. „Das Ziel ist das dynamische Aufladen bei Autobahngeschwindigkeiten“, sagte Galigekere.

(Mit Material des Oak Ridge National Laboratory (ORNL))