Induktives Laden ein Themenschwerpunkt der Elektromobilität

Transkript

1 Induktives Laden ein Themenschwerpunkt der Elektromobilität 1

2 Warum berührungslos elektrische Energie übertragen? Kabel ist eine kritische Komponente. Insbesondere bei Übertragungen zwischen stehenden und bewegten Teilen. Anlagenstillstand aufgrund von Kabelbrüchen gehört zu den häufigsten Ursachen bei einer Anlagenstörung. Es gibt zahlreiche mechanische Konzepte, die bisher nicht realisiert werden konnten. 2

3 Warum berührungslos elektrische Energie übertragen? Induktive Ladesysteme für Elektroautos Steigerung des Bedienungskomforts sicher vor Vandalismus wartungsarm automatisierter Ladevorgang indirekter Beitrag zur Reichweitenerhöhung geringe Infrastrukturkosten Integration in Smart Grid 3

4 Physikalische Prinzipien zur berührungslosen Energieübertragung elektromagnetisch magnetisch elektrisch 4

5 Induktive und kapazitive Energieübertragung Induktive Übertragung (Magnetisches Feld) Kapazitive Übertragung (Elektrisches Feld) Leistungsdichte hoch niedrig Wirkungsgrad hoch niedrig Übertragungsfrequenz khz-bereich MHz-Bereich Einsatzbereiche Energie- und Datenübertragung Daten- und Energieübertragung 5

6 Induktive Energieübertragung Schematisches Funktionsprinzip d H(t) d H(t) u 2(t) N dt dt u (t): 2 N: H (t) : induzierte Spannung in Sekundärseite Windungszahl magnetischer Hauptfluss 6

7 Induktive Energieübertragung Schematisches Funktionsprinzip Die übertragene Leistung ist abhängig von: dem verketteten Hauptfluss, der Übertragungsfrequenz und der Stromdichte 7

8 Induktive Energieübertragung Charakteristische Eigenschaften Luftspalt = 0 Magnetisches Hauptfeld schwächer (bei gleicher Eingangsleistung) Magnetische Streufelder werden größer Wirkungsgrad und übertragbare Leistung sinken Abhilfe: Blindleistungskompensation und Einsatz hoher Frequenzen 8

9 Berührungslose Energieübertragung induktiv Systemaufbau und Komponenten 9

10 Einfluss der Frequenz und der Kompensation mit Kompensation ohne Kompensation 10

11 Induktive Energieübertragung Begrenzende Faktoren Zulässige Stromdichte in den Wicklungen Frequenzgrenzen Typische Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter: MOSFET: khz IGBT: khz SiCFET: 20 khz 500 khz Spannungsfestigkeit der Kondensatoren Skin- und Proximityeffekt Eisenverluste der weichmagnetischen Abschirmung Parasitäre Kapazitäten der Wicklungen Grenzwerte für elektromagnetische Felder zum Schutz aller Lebewesen 11

12 Stand der Technik stationäre Systeme Batterieladestation Elektrofahrzeuge Übertragene Leistung: 5 20 kw Luftspalt: 50 mm Frequenz: khz Wirkungsgrad: 92 % Wireless Power Consortium: Qi Standard 5W Übertragene Leistung: 5 W Luftspalt: 5 10 mm Frequenz: khz Gesamtwirkungsgrad: 70 % Ladestation Elektrische Zahnbürste 12

13 Stand der Technik eindimensionale Energieübertragung auf bewegte Verbraucher Installation: 2010 Augsburg Streckenlänge: 0,8 km Leistung: 270 kw (bis 500 kw möglich) Sortiertechnik Bombardier Straßenbahn Leistung: kw Frequenz: khz Luftspalt: mm Wirkungsgrad: ca % Schienengeführte Systeme Führerlose Transportsysteme 13

14 Universität Stuttgart Projekt BiPol und BiPol + 14 BiPol BiPol + Übertragene Leistung 3 kw 20 kw Luftspalt 150 mm 200 mm Toleranz der horizontalen Verschiebung 400 mm 400 mm Frequenz 50 khz khz Fertigstellung 2012 ab 2015

15 Universität Stuttgart Projekt BiPol und BiPol + Batterie AC/DC Kompensation 1 2 D L 1 I 1 U 1 2 j M ( I ) 2 L1 2 L j M I 1 2 D L 1 2 U I 2 R L Empfangsspule Sendespule Kompensation DC/AC DC/DC 15 AC/DC (PFC-Stufe) Netz + EMI-Filter Wirkungsgrad und Leistungsflussdiagramm am Beispiel eines 3 kw Ladesystems

16 Universität Stuttgart Projekt induktive Straße Induktive Carrera-Rennbahn 16

17 Universität Stuttgart Next Generation Train Fahrdrahtlose Energieübertragung auf Schnellzüge 17 NGT HGV NGT Link Geschwindigkeit 400 km/h 250 km/h Triebwagen 2 2 Wagons 8 8 Leistung 25 MW 3 MW

18 Next Generation Train (NGT) 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19

20 Ende 20

21 ICNIRP Grenzwerte Referenzwerte für Expositionen durch zeitlich veränderliche Magnetfelder 21