Die Reichweitenangst stellt noch immer ein Hindernis für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen dar. Zwei Dinge, die den Widerstand gegen neue Technologien überwinden können, sind gesunder Menschenverstand und technische Verbesserungen.

Befürworter der Elektromobilität weisen mit Blick auf den gesunden Menschenverstand darauf hin, dass die typische tägliche Fahrleistung, die das Pendeln zur Arbeit und das Einkaufen umfasst, im Durchschnitt recht gering ist. Typische tägliche Fahrten sind mit den meisten derzeit auf dem Markt befindlichen Elektroautos problemlos zu bewältigen. Dies könnte potenzielle Käufer überzeugen, die bereits Interesse haben, auf ein Elektroauto umzusteigen. Bei anderen Treibern ist jedoch mehr Überzeugungsarbeit erforderlich, die am besten durch weitere technische Weiterentwicklungen bewerkstelligt werden kann.

Für Tage, an denen zusätzliche Besorgungen oder eine längere Fahrt notwendig sind oder um für Notfälle gewappnet zu sein, ist es sinnvoll, ein paar Kilometer Reserve zu haben. Schnelleres Laden könnte helfen. Jedes Elektrofahrzeug kann mit einem einfachen Level-1-Ladegerät geladen werden, das an einer normalen Steckdose angeschlossen wird und bis zu 1 kW Leistung liefert. Will man jedoch eine zusätzliche Reichweite von 150 km erreichen, kann dies knapp 20 Stunden dauern (Tabelle).

(Level 1 bis 3) (Quelle: https://chargehub.com/en/electric-car-charging-guide.html)

Ladestationen der Stufe 2 mit einer Leistung von bis zu 20 kW werden am Straßenrand, auf innerstädtischen Parkplätzen und optional auch von Privatnutzern zu Hause installiert. Sie können normalerweise vergleichbare Energie in einem Viertel der Zeit oder weniger übertragen. Level 3 Ladestationen der Level 3 oder DC-Schnellladegeräte (DCFC, DC Fast Chargers) sind die leistungsstärksten und damit schnellsten Ladearten. Sie sind jedoch nicht an allen öffentlichen Ladestationen erhältlich und nicht für alle Elektrofahrzeuge geeignet.

Damit der Fahrer seine Fahrzeugbatterie mit einem dieser Ladegeräte laden kann, muss er einen geeigneten Ladeparkplatz finden, das Ladekabel aus dem Auto ziehen, einstecken und warten.

Als Teil des Lademixes könnte kabelloses Laden das Laden komfortabler machen und dazu beitragen, Reichweitenängste potenzieller Kunden zu überwinden. Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen basiert auf resonanter magnetischer Induktion, um Energie zwischen einem Ladepad im Boden und einem anderen Pad an der Unterseite des Fahrzeugs zu übertragen. Ein typisches Ladepad ist etwa einen Quadratmeter groß, während das Aufnahmepad in einem kompakteren Gehäuse an der Unterseite des Fahrzeugs verbaut ist.

Sobald die beiden aufeinander abgestimmt und gekoppelt sind, kann das Laden mit Raten von 3,3 bis 20 kW erfolgen. Ein geeigneter drahtloser Leistungsübertrager kann in die Fahrbahn eingelassen werden. Es erkennt, wenn sich ein Fahrzeug darüber befindet. Der Ladevorgang wird dann bei der Ankunft des Fahrzeugs gestartet und ohne weiteres Zutun des Fahrers beim Wegfahren des Fahrzeugs beendet. Durch den Aufbau einer geeigneten WEVCS-Infrastruktur (Wireless Electric Vehicle Charging System) wäre es möglich, das Elektrofahrzeug nach und nach bei jedem kurzzeitigen Stopp – zum Beispiel beim Halt in einem Supermarkt – aufzuladen.

Denkbar wäre auch ein dynamisches WEVCS (D-WEVCS). Dazu könnten Autobahnabschnitte mit eingebetteten Ladesendern gehören, die die Batterien vorbeifahrender Fahrzeuge während der Fahrt aufladen. Dynamisches Laden ist insbesondere für Taxis oder Busse eine effektive Lösung, wenn das Laden an bestimmten Punkten entlang der Strecke oder beim Warten an Haltestellen oder Abhol- / Abgabepunkten möglich ist.

Abbildung 1 beschreibt die wichtigsten Funktionsblöcke eines statischen oder dynamischen WEVCS. Der Sender befindet sich in einer festen Position und wird mit einer Wechselstromversorgung von 50 bis 60 Hz versorgt. Nach Gleichrichtung und Blindleistungskorrektur erzeugt ein Wechselrichter einen Ausgangswechselstrom von 80 bis 160 kHz, der an die Sendespule des drahtlosen Leistungsübertragers übertragen wird.

Das Diagramm zeigt auch die Positionen des Eingangsrauschfilters für leitungsgebundene Störungen, der PFC-Drossel und der Normal- und Gleichtaktdrosseln für leitungsgebundene und abgestrahlte Aussendungen. Die vom Sender abgestrahlte Leistung wird in die Empfängerspule eingekoppelt, die an der Unterseite des Fahrzeugs angebracht ist. Normal- und Gleichtaktfilter sowie ein AC/DC-Wandler erzeugen eine stabile DC-Versorgung zum Laden der Batterie, die von einem Batterie-Management-System (BMS) gesteuert wird.

Zuverlässigkeit und Energieeffizienz sind zwei große Herausforderungen für Entwickler in diesem Bereich. Sowohl der fest installierte Sender als auch der am Fahrzeug montierte Empfänger können extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und physikalischen Kräften ausgesetzt sein. Kemet hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, beispielsweise mit seinen umweltbeständigen Drosseln und Filtern, die speziell für Ladeanwendungen von Elektrofahrzeugen entwickelt wurden. Mit neuen Materialien, die die Entwicklung kompakterer Komponenten ermöglichen, lassen sich auch Größe und Gewicht des am Fahrzeug montierten Systems reduzieren.

Im Wechselrichter und AC/DC-Wandler des Senders oder Empfängers ermöglichen Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke (WBG, Wide Band-Gap) und geeigneter Nennspannung eine effiziente Energiewandlung auf der Funkfrequenz der Energieübertragung. Dies gewährleistet ausreichende Sicherheit.

Neben den WBG-Halbleitern werden Keramikkondensatoren benötigt, die über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich eine hohe Kapazitätsstabilität aufweisen. Dadurch widerstehen die Leistungshalbleiter sehr hohen Rippelströmen. Ein spezielles dielektrisches System, das einen sehr geringen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und thermischen Widerstand ermöglicht, ermöglicht es, die Kondensatoren nahe an den schnell schaltenden Halbleitern zu platzieren. Dadurch erreichen die WEVCS-Module eine hohe Leistungsdichte und zuverlässige Leistung.

Die Multilayer Ceramic Kondensatoren (MLCCs) der KC-Link Serie von Kemet basieren auf einem speziell entwickelten, robusten C0G/NPO-BME Dielektrikum (Basismetallelektrode), welches einen niedrigen ESR bei hoher thermischer Stabilität garantiert. Aufgrund der hohen mechanischen Robustheit der Kondensatoren kann eine Struktur ohne Leadframe realisiert werden. Dies reduziert die effektive Serieninduktivität (ESL) und ermöglicht einen größeren Betriebsfrequenzbereich und damit eine weitere Miniaturisierung.

Um die Effizienz der Energieübertragung zu optimieren, muss auch auf die induktive Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule geachtet werden. Das Spulendesign und -layout können verbessert werden, um die Abhängigkeit von der Ausrichtung des Senders und des Empfängers zu verringern. Aufgrund von Verkehrshindernissen oder Straßenstrukturen kann es vorkommen, dass ein Fahrer oder ein autonomes Fahrsystem das Fahrzeug nicht perfekt über dem Sender positionieren kann.

Jedoch kann die Position einer beweglichen Empfängerspule fein abgestimmt und somit die Ausrichtung optimiert werden. Aufladen bis 5 kW mit einem Wirkungsgrad von über 90 % ist möglich. Als ideal gilt in der Regel ein Luftspalt von etwa 150 bis 300 mm. Um die teilweise erheblichen Bodenfreiheitsunterschiede auszugleichen, kommt eine Hebe- oder Senkmechanik für die Unterlage des Elektrofahrzeugs in Betracht.

Darüber hinaus kann das Aufbringen von Abschirmmaterialien um den Leistungsübertrager und den Bordempfänger die Effizienz der Energieübertragung weiter steigern. Kemet hat hochpermeable gesinterte Ferritplatten entwickelt, die magnetische Flussverluste minimieren und für Automobilanwendungen gemäß AEC-Q200 qualifiziert sind.

ist Senior Manager - Distribution Promotion Product Management MSABG (Magnetic, Sensor and Actuator) - bei Kemet. Nach seinem Studium am Universitätsinstitut für Internationale Studien und Entwicklung in Genf sammelte er 13 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie – in Verkauf, Vertrieb, Marketing und Produktmanagement.

KEMET Electronics GmbH, KEMET Electronics GmbH Landsberg

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