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Induktive Energieübertragung

 Seit der Elektrifizierung der Eisenbahn hat sich die Oberleitung oder die Stromschiene als Zubringer der Traktionsenergie bewährt. Im Bereich des elektrifizierten Individualverkehrs werden dagegen in der Regel Energiespeicher auf dem Fahrzeug mitgeführt, die punktuell über Stromkabel nachgeladen werden. In beiden Bereichen bietet die induktive Energieübertragung eine interessante Alternative. Sie ist verschleiß- und wartungsarm und für den Endanwender unkompliziert in der Handhabung.

Der Lehrstuhl für Bahnsystemtechnik forscht im Rahmen dreier Projekte an verschiedenen Fragestellungen zum Einsatz induktiver Energieübertragung im Fahrzeugbereich.

 

Aktive Kompensation
Bei der Anwendung induktiver Energieübertragungstechnik in Bus und Bahn aus dem öffentlichen Verkehrssegment sind die Leistungsanforderungen an das Übertragungssystem sehr hoch, was auch die Einhaltung von Grenzwerten elektromagnetischer Felder im direkten Umfeld des Fahrzeugs deutlich erschwert. In diesem Leistungsbereich bieten sich symmetrisch betriebene, mehrphasig ausgeführte Systeme an, da hier der Feldproblematik bereits mit konstruktiven Maßnahmen wirkungsvoll begegnet werden kann. Die breiten Schwankungen aller Einflussfaktoren verursachen jedoch Einbußen hinsichtlich Effizienz und Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren zählen Relativbewegungen des Fahrzeugs, beziehungsweise Lagefehler bei der freien Positionierung des Fahrzeugs über dem wegseitig installierten Teil des Systems.
Im Forschungsprojekt geht es zunächst um die mathematische Modellbildung solcher Mehrphasensysteme. Darauf aufbauend werden aktive Systemstrukturen untersucht, um den genannten Einbußen im laufenden Betrieb effektiv entgegenwirken zu können.

Ladekonzept für Stadtbusse
Im Rahmen des „Projekthaus E-Drive“ wird an induktiver Energieübertragung zum Einsatz in Stadtbussen geforscht. Das Projekt wird vom Ministerium für Wissenschaft und Kunst des Landes Baden Württemberg gefördert und von der Daimler AG unterstützt.
Ein System zur induktiven Nachladung von Stadtbussen besteht aus mehreren Komponenten, die unter Berücksichtigung zahlreicher Eingangsvariablen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Minimalgröße des auf dem Fahrzeug mitzuführenden Akkus korreliert mit den Eckdaten des Fahrzeugs, der Ladestellendichte entlang der Strecke, der Verweildauer des Busses auf der Ladestelle, der Ladeleistung, dem gefahrenen Streckenprofil sowie äußeren Einflussfaktoren wie dem Straßenverkehr.
Ziel des Projekts ist neben der Abschätzung des Potenzials induktiver Energieübertragungstechnik daher die Erstellung eines Konzepts zur Aufladung batterieelektrisch betriebener Stadtbusse mittels dieser Technik. Hierzu wird ein Simulationsmodell entwickelt, das eine mit induktiver Energieübertragungstechnik ausgerüstete Stadtbuslinie abbilden kann. Die einzelnen Komponenten des Systems können hiermit gezielt aufeinander abgestimmt und an die örtlichen Gegebenheiten sowie an die Anforderungen des jeweiligen Betreibers angepasst werden.

Schnelladesystem für PKW-Anwendungen
Im Bereich des Individualverkehrs wird das Prinzip zur Aufladung der Fahrzeugbatterie dank des Aufschwungs der Elektromobilität in den vergangenen Jahren als Schlüsseltechnologie gesehen und genießt zurzeit die volle Aufmerksamkeit der Automobilindustrie. Derzeit werden Elektrofahrzeuge üblicherweise über ein Kabel an gewöhnlichen Haushaltssteckdosen aufgeladen. Dies bringt zwei wesentliche Nachteile mit sich: Zum einen das unkomfortable Handling des Ladekabels, das beispielsweise bei schlechten Witterungsbedingungen durch Schmutz und Nässe erschwert wird. Zum anderen ist die maximale Ladeleistung an Haushaltssteckdosen in der Regel auf 3 kW begrenzt, sodass die Vollladung einer Fahrbatterie mit einer Kapazität von etwa 20 kWh bis zu 8 Stunden dauern kann.

Im Rahmen des öffentlich geförderten Projektes „Berührungsloses, positionstolerantes und induktives Laden (BIPoLplus)“ wird an einem Schnellladesystem von bis zu 22 kW Ladeleistung geforscht, bei dem die Energieübertragung induktiv zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation erfolgt. Das Projekt BIPoLplus wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Spitzenclusters Elektromobilität Süd-West mit einer Laufzeit von 3 Jahren gefördert. Insgesamt arbeiten acht Projektpartner aus Wirtschaft und Wissenschaft an der Realisierung dieses Projektes: Daimler AG, Robert Bosch GmbH, IPT-Technology GmbH, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, Porsche AG, DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, KIT sowie die Universität Stuttgart.
Der Lehrstuhl für Bahnsystemtechnik befasst sich in diesem Projekt insbesondere mit der simulativen Auslegung der Primär- und Sekundärspule. Durch ein optimiertes Spulendesign wird ein 22 kW-Übertragungssystem mit einer guten Kopplung und einer hohen Positionierungstoleranz entwickelt, das auch die aktuellen elektromagnetischen Grenzwerte einhält. Zudem soll ein interoperabler Betrieb von verschiedenen Spulensystemen sichergestellt werden.

 

Ansprechpartner

 

Katharina Knaisch Magnetische Auslegung von Spulensystemen zur induktiven Energieübertragung

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