Neue Technologie ermöglicht das Laden von leistungsstarken Elektrofähren und -fahrzeugen

(WK-intern) – Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben die induktive Energieübertragungstechnologie weiter vorangetrieben, um das Laden von Hochleistungsbatterien ohne menschliche Beteiligung oder einen Roboterarm zu ermöglichen.

Die Technologie ist bereit für die sofortige Präsentation in der Industrie.

Ein neuartiger Siliziumkarbid-Halbleiter und ein neu entwickelter Kupferdraht so dünn wie ein menschliches Haar. Diese beiden Faktoren haben die Übertragung hoher Leistung durch die Luft plötzlich zu einem realistischen Angebot gemacht.

Induktives Laden ist das Neue

Elektrische Zahnbürsten tun dies seit Jahrzehnten. Und in den letzten Jahren haben Mobiltelefone und andere tragbare Elektronikgeräte die Technologie aufgegriffen. Doch bislang schien die kabellose Lademöglichkeit für die hohe Leistung von Elektrofahrzeugbatterien zu komplex und ineffektiv.

Allerdings scheint das induktive Laden für Batteriefahrzeuge den Durchbruch geschafft zu haben, insbesondere wenn häufiges Laden erforderlich ist und die Umgebung anspruchsvoll ist; zum Beispiel eine städtische Elektrofähre.

Laden Sie ohne menschliche Hilfe oder einen Roboterarm auf

Dies bedeutet, dass elektrische Fähren, die regelmäßig städtische Wasserstraßen durchqueren, keine menschliche Hilfe oder einen Roboterarm benötigen, um ihre Batterien aufzuladen. Gleiches gilt für Stadtbusse oder die fahrerlosen Elektrofahrzeuge in Industrie, Bergbau und Landwirtschaft.

Yujing Liu, Professor für elektrische Energietechnik an der Fakultät für Elektrotechnik in Chalmers, konzentriert sich stark auf die Umwandlung erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung des Verkehrssystems.

„Sie können ein System in den Kai einbauen lassen, das die Fähre an einigen Haltestellen auflädt, während die Passagiere ein- und aussteigen. Automatisch und völlig unabhängig von Wetter und Wind kann 30-40 Mal pro Tag geladen werden. Dies ist wahrscheinlich die naheliegendste Anwendung“, sagt Professor Liu.

„Auch für die Elektro-Lkw der Zukunft gibt es eine mögliche Anwendung. Das Problem ist dann, dass das Laden dieser mit ausreichend hoher Leistung dazu führt, dass das Ladekabel sehr dick, schwer und schwierig zu handhaben ist.“

Neue Möglichkeiten durch Weiterentwicklung der Materialien

Laut Liu ist es die rasante Entwicklung einer Handvoll Komponenten und Materialien in den letzten Jahren, die neue Möglichkeiten eröffnet hat.

„Entscheidend ist, dass wir jetzt Zugang zu Hochleistungshalbleitern auf Basis von Siliziumkarbid haben, den sogenannten ‚SiC-Bauelementen‘. Als Stromquelle für elektronische Produkte sind diese erst seit wenigen Jahren auf dem Markt. Sie ermöglichen es uns, im Vergleich zu herkömmlichen Komponenten auf Siliziumbasis höhere Spannungen, höhere Temperaturen und viel höhere Schaltfrequenzen zu verwenden“, sagt er.

Dies ist wichtig, da es die Frequenz des Magnetfelds ist, die begrenzt, wie viel Leistung zwischen zwei Spulen einer bestimmten Größe übertragen werden kann.

Frequenzen viermal höher

„Frühere Systeme zum drahtlosen Laden von Fahrzeugen haben Frequenzen von etwa 20 kHz verwendet, ähnlich wie bei einem normalen Kochfeld. Sie wurden sperrig und die Energieübertragung war nicht sehr effizient. Jetzt arbeiten wir mit viermal höheren Frequenzen. Plötzlich wird Induktion attraktiv“, erklärt Liu.

Er fügt hinzu, dass seine Forschungsgruppe in engem Kontakt mit den beiden weltweit führenden Herstellern von SiC-Modulen stehe.

„Mit ihnen ist eine rasante Produktentwicklung hin zu noch höheren Strömen, Spannungen und Leistungen im Gange. Alle zwei bis drei Jahre kommen neue Versionen auf den Markt, die länger dauern können. Solche Komponenten sind wichtige „Enabler“ mit vielfältigen Anwendungen in Bereichen wie Elektrofahrzeugen. Also nicht nur für induktives Laden.“

Ein weiterer neuer Technologiesprung betrifft die Kupferdrähte in den Spulen, die das oszillierende Magnetfeld senden und empfangen, das die eigentliche Brücke für den Energiefluss über den Luftspalt bildet. Ziel ist es, eine möglichst hohe Frequenz zu verwenden.

„Das funktioniert nicht mit gewöhnlichen geschleiften Kupferspulen. Das würde bei hoher Frequenz zu sehr großen Verlusten führen“, sagt Liu.

Die neuen Spulen bestehen aus geflochtenen „Kupferseilen“. Diese bestehen aus bis zu 10.000 Kupferfasern, die jeweils zwischen 70 und 100 Mikrometer dick sind, ähnlich wie eine Haarsträhne.

Diese Geflechte aus sogenannten Litzen sind für hohe Ströme und Frequenzen optimiert und erst seit wenigen Jahren kommerziell erhältlich.

Ein drittes Beispiel, das Liu hervorhebt, ist ein neuer Kondensatortyp, der verwendet wird, um Blindleistung hinzuzufügen. Dies ist Voraussetzung, damit die Spule ein ausreichend starkes Magnetfeld aufbauen kann. Andererseits ist das Magnetfeld auch zwischen Ladeplatten noch sehr schwach. Das Streufeld nimmt dramatisch ab, wenn der Abstand von den Aufladeplatten zunimmt. Innerhalb von etwa einem halben Meter verringert sie sich auf das international geforderte Maß für die öffentliche Exposition.

New technology enables charging of high-power electric ferries and vehicles

Researchers at Chalmers University of Technology, Sweden, have pushed inductive power transfer technology further to enable high-power battery charging without the need for human involvement or a robotic arm. The technology is ready for immediate presentation to industry.

A new type of silicon carbide semiconductor and a newly developed copper wire as thin as a human hair. These two factors have suddenly made transmitting high power through air a realistic proposition.

Inductive charging is the new thing

Electric toothbrushes have been doing it for decades. And, in recent years, mobile phones and other portable electronics have picked up the technology. But until now, the wireless charging option had seemed too complex and ineffective for the high power of electric vehicle batteries.

However, inductive charging for battery vehicles seems to have made a breakthrough, especially when frequent charging is needed and the environment is demanding; an urban electric ferry, for example.

Charge without human help or a robotic arm

This means that electric ferries which regularly traverse urban waterways would not need human help or a robotic arm to charge their batteries. The same applies to city buses or the driverless electric vehicles used in industry, mining and agriculture.

Yujing Liu, Professor of Electric Power Engineering at the Department of Electrical Engineering at Chalmers, is focusing closely on renewable energy conversion and electrification of the transportation system.

“You can have a system built into the wharf that charges the ferry at some stops while passengers get on and off. Automatic and completely independent of weather and wind, charging can take place 30-40 times per day. This is probably the most obvious application,” says Professor Liu.

“Even for the electric trucks of the future, there is a potential application. The issue then is that charging these at sufficiently high power means the charging cable is very thick, heavy and difficult to handle”.

New possibilities due to advancements in materials

According to Liu, it is the rapid development of a handful of components and materials in recent years that has opened up new possibilities.

“A key factor is that we now have access to high-power semiconductors based on silicon carbide, known as ‘SiC components’. As a power source for electronic products, these have only been on the market a few years. They allow us to use higher voltages, higher temperatures and much higher switching frequencies, compared to traditional silicon-based components”, he says.

This is important because it’s the frequency of the magnetic field that limits how much power can be transferred between two coils of a given size.

Frequencies four times higher

“Previous systems for vehicle wireless charging have used frequencies of around 20 kHz, much like a normal stove top. They became bulky and the energy transfer wasn’t very efficient. Now we work with frequencies that are four times higher. Suddenly, induction becomes attractive”, explains Liu.

He adds that his research group is in close contact with the two world-leading manufacturers of SiC modules in the world.

“With them, rapid product development is underway towards even higher currents, voltages and power. Every two or three years, new versions are launched which can take more. Such components are important “enablers”, with a wide range of applications in fields like electric vehicles. So not just for inductive charging”.

Another recent technological leap concerns the copper wires in the coils that send and receive the oscillating magnetic field that forms the actual bridge for the energy to flow across the air gap. The goal is to use as high a frequency as possible.

“That won’t work with ordinary looped copper coils. It would lead to very large losses at high frequency”, says Liu.

The new coils are made of braided “copper ropes”. These comprise up to 10,000 copper fibres, each between 70 and 100 microns thick, much like a strand of hair.

These braids of what is known as Litz wires are optimised for high currents and frequencies and have only been commercially available in the last few years.

A third example that Liu highlights is a new type of capacitor used to add reactive power. This is a prerequisite if the coil is to build up a sufficiently powerful magnetic field. On the other hand, the magnetic field is still very weak, even when positioned between charging plates. The stray field decays dramatically as the distance from the charging plates increases. Within about half a meter, it diminishes to the internationally required level for public exposure.

Liu emphasises that charging electric vehicles entails several conversion steps; between direct current and alternating current and between different voltage levels.

“So, when we say that we’ve achieved an efficiency of 98 per cent from direct current in the charging station to the battery, that figure may not mean much if you don’t carefully define what’s measured,” explains Liu.

“But you can also put it this way: losses occur whether you use ordinary cable-based conductive charging or charge by using induction. The efficiency we’ve now achieved means that the losses in inductive charging can be almost as low as with a conductive charging system. The difference is so small as to be practically negligible. It’s about one or two per cent”.

Numbers attract attention

Liu adds that the results published by his research group have attracted a lot of attention.

“We’re probably among the best in the world in terms of efficiency in this power class, between 150 and 500 kW”.

Liu doesn’t think that induction charging will eventually replace charging with a cable.

“I drive an electric car myself and can’t see that I’d have any use for induction charging in the future. I drive home, plug in… it’s no problem”.

Is wireless charging a more sustainable technology than charging in the usual way?

“One probably shouldn’t claim that the technology itself is more sustainable. But it can make things easier when electrifying large vehicles and thus speed up the phase-out of things like diesel ferries.

Facts about induction charging

• Charging by induction means that current can be transferred over a short distance; through air, water, and other such non-metallic materials – without any contact or conductor.
• The principle is the same as in the induction cookers found in many kitchens. A high-frequency alternating current passed through a coil produces an oscillating magnetic field.
• But unlike cooking, where the aim is heat development, inductive charging means that a second coil (on board the vehicle) captures the energy in a magnetic field and converts it into alternating current again. Following rectification, it can then recharge the batteries.
• The heat generated in the process means that part of the energy being transferred will be lost. Thus, minimising heating as much as possible is an important goal in developing this technology.

Chalmers University of Technology

Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, conducts research and education in technology and natural sciences at a high international level. The university has 3100 employees and 10,000 students, and offers education in engineering, science, shipping and architecture.

With scientific excellence as a basis, Chalmers promotes knowledge and technical solutions for a sustainable world. Through global commitment and entrepreneurship, we foster an innovative spirit, in close collaboration with wider society.The EU’s biggest research initiative – the Graphene Flagship – is coordinated by Chalmers. We are also leading the development of a Swedish quantum computer.

Chalmers was founded in 1829 and has the same motto today as it did then: Avancez – forward.

PR: Chalmers University of Technology

PB: Inductive charging system