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Induktives Laden von Elektroautos – Stand der Forschung
14. September 2021
Elektromobilität

Induktives Laden von Elektroautos – Stand der Forschung

Der Traum vom Ende des Kabelsalats liegt zum Greifen nah! Und vielleicht nicht nur für gängige Elektrogeräte wie Smartphones und Laptops. Auch Elektrofahrzeuge sollen zukünftig ohne Kabel auskommen.

Es gibt bereits einige Pilotprojekte, die induktives Laden von Elektrofahrzeugen vorantreiben. Wir zeigen dir, wie induktives Laden funktioniert, wo die Entwicklung aktuell steht, mit welchen Herausforderungen die Entwickler zu kämpfen haben und was – neben dem Komfort – letztendlich die Vorteile des induktiven Ladens sind.

So funktioniert induktives Laden

Für alle die Physik ab der 10. Klasse abwählten: Induktives Laden basiert auf dem physikalischen Gesetz der Induktion. Das Induktionsgesetz besagt, dass ein mit Wechselstrom durchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Nach diesem Prinzip arbeiten alle Elektromagneten. Der Effekt lässt sich jedoch auch umkehren, wodurch ein sich änderndes Magnetfeld in dem elektrischen Leiter selbst Wechselstrom erzeugt. Induktives Laden macht sich diese beiden physikalischen Phänomene zu Nutze.

Im Ladegerät befindet sich eine Spule (üblicherweise aus Kupfer) die als Sender dient. Durch die Spule fließt Wechselstrom, was ein Magnetfeld erzeugt. Bis zu diesem Zeitpunkt wird noch keinerlei Energie übertragen – erst wenn ein Gegenstand mit Empfängerspule in den Einflussbereich des Magnetfeldes eindringt. In dem Moment wird eine Wechselspannung in der Empfängerspule induziert: ein Wechselstrom entsteht.

Da Akkus jedoch mit Wechselstrom nicht geladen werden können, wird der Wechselstrom mithilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom wird schließlich als elektrische Energie in der Batterie gespeichert. Der ganze Prozess resultiert leider auch in manchen, zusätzlichen Energieverlusten, gegenüber dem kabelgebundenen Laden.

Konzepte für maximale Flexibilität

Zum aktuellen Zeitpunkt gibt es einige vielversprechende Konzepte für induktives Laden von Elektroautos, die in unterschiedliche Pilotprojekte getestet werden. Einige der interessantesten Entwicklungen präsentieren wir dir im Folgenden:

TALAKO und EnergiCity laden Taxis induktiv

Hinter dem Namen TALAKO (Taxi-Lade-Konzept für den öffentlichen Raum) verbirgt sich ein Projekt der Universität Duisburg-Essen. Seit 2019 wurden im Rahmen des Projektes in Köln und Mühlheim Taxistände mit unterirdischen Ladestreifen eingerichtet. Der englische Fahrzeugproduzent LEVC liefert die dazu passenden Stromabnehmer. In der Londoner Innenstadt ist LEVC mit seinen Elektroautos bereits weit verbreitet.

Ein ähnliches Projekt startete in Oslo im Juni 2020. Das Testprojekt unter dem Namen EnergiCity, ermöglicht Elektrofahrzeugen per Induktion das kontaktlose Laden an Taxiständen. Der Pilot umfasst 25 Modelle des Jaguar I-Pace SUVs. Die maximale Ladeleistung des Systems liegt da bei 50 bis 75 Kilowatt. Der Jaguar I-Pace kann damit innerhalb von nur fünf Minuten genügend Strom für eine Reichweite von bis zu 30 Kilometern zapfen. Für Taxifahrten innerhalb der Stadt völlig ausreichend.

Taxis und Busse sind in ersten Pilotprojekten der Fokus beim Testen induktiver Ladekonzepte. (Bild: iStock)

Induktives Laden während der Fahrt mit eCharge

Während sich TALAKO und EnergiCity auf statisches Laden konzentrieren, geht das Projekt eCharge einen Schritt weiter. eCharge ermöglicht es, den Akku während der Fahrt aufzuladen. Das Konzept der TU Braunschweig sieht vor, Induktionsmodule – spezielle „Coils“ genannte Kupferspulen – in regelmäßigen Abständen in den Fahrbahnbelag einzulassen.

Ziel ist es, einen 25 Kilometer langen Testkorridor anzulegen, um induktives Laden während der Fahrt zu ermöglichen. Für ein induktives Magnetfeld spielt es nämlich zumindest theoretisch keine Rolle, ob das Auto steht oder mit (mehreren) hundert Km/h an ihm vorbei düst. Es gibt hier dennoch einige Hürden, wie wir gleich sehen werden. Die notwendige Ladetechnik stellt das israelische Unternehmen ElectReon.

EnBW und ElectReon versorgen Elektrobusse induktiv mit Energie

ElectReon arbeitet nicht nur mit der TU Braunschweig am Projekt eCharge, sondern kooperiert auch mit Energieversorger EnBW. Ziel ist es, das induktive Laden von Elektrobussen im öffentlichen Nahverkehr zu testen. Ähnlich wie bei eCharge werden hierbei Ladespulen in den Asphalt integriert, die den fahrenden Bus mit elektrischer Energie versorgen. Gerade im Schwerlastbereich sind solche Konzepte sehr vielversprechend, um lange Standzeiten zu vermeiden.

WiTricity will die Technologie flächendeckend verfügbar machen

Das US-amerikanische Unternehmen WiTricity ist auf dem besten Weg, die induktive Ladetechnik auch in handelsübliche Elektroautos zu integrieren. WiTricity liefert zum Beispiel die Ladetechnik für den Genesis eG80, der ab Ende 2021 auf dem asiatischen Markt angeboten werden soll. Genesis ist der Luxus-Arm von Hyundai, ähnlich wie Lexus und Infinity für Toyota und Nissan, respektive.

Außerdem basiert der 2020 in China vorgestellte Standard zum induktiven Laden von Elektroautos größtenteils auf der Technik von WiTricity. Daher ist es nicht unwahrscheinlich, dass sich auch Bestrebungen zur Standardisierung in Europa und Nordamerika der technischen Entwicklungen des Unternehmens bedienen werden.

Herausforderungen für Entwicklung und Forschung

Die Konzepte sind allesamt innovativ und vielversprechend, doch wie bei jeder technischen Errungenschaft stehen den Entwicklern einige Hürden gegenüber. Folgendes sind die größten aktuellen Herausforderungen:

Nähe ist Pflicht

Zunächst stellen die hohen Anforderungen an eine genaue Positionierung der beiden Ladespulen die Forschung vor große Herausforderungen. Damit ein Ladevorgang möglichst schnell und effektiv abläuft, müssen sich Sender- und Empfängerspule so nah wie möglich sein. Mit wachsendem Abstand der beiden Spulen fällt der Wirkungsgrad rapide ab.

Die Schweizer Stiftung Strom und Mobilkommunikation (FSM) ermittelte in einer Studie, dass beim induktiven Laden von Smartphones nur maximal 60 Prozent der Energie als elektrische Energie in den Akku fließt. Der Rest geht als Verlustwärme verloren. Beim kabelgebundenen Laden liegt der Wirkungsgrad dagegen zwischen 70 und 75 Prozent. Entwickler gehen davon aus, dass sich die Werte auf den induktiven Ladevorgang von Elektroautos übertragen lassen.

Doch nicht nur der vertikale Abstand, sondern auch die horizontale Positionierung der beiden Spulen ist von großer Bedeutung. Für einen reibungslosen Ladevorgang und eine fehlerfreie Kommunikation müssen die beiden Spulen exakt übereinander liegen. Dafür ist es erforderlich, das Fahrzeug sehr feinfühlig zu rangieren. Für eine optimale Positionierung könnte eine Kamera- und Laserunterstützung notwendig sein, die dem Fahrer beim Rangiervorgang assistiert.

Ausbaufähige Ladeleistung

Derzeitige induktive Ladekonzepte reichen an eine haushaltsübliche Wallbox heran. Damit decken sie einen Bereich von 3,6 bis 11 Kilowatt Ladeleistung ab, künftig sollen bis zu 22 Kilowatt möglich sein. Von der Ladeleistung eines Tesla Superchargers (120 Kilowattstunden), sind alle Projekte allerdings noch weit entfernt. Ganz zu schweigen von den Next-Gen-Ladestationen von Ionity und Co, die bis zu 350 KW schaffen. Massentaugliche induktive Systeme, die hohe Leistungen und damit kurze Ladezeiten ermöglichen, sind bislang bloße Zukunftsmusik.

Es braucht eine Standardisierung

Wie so häufig entwickeln Unternehmen bei neuen Technologien erst einmal selbstständig. Der Grund ist einfach: Die Technologie soll somit möglichst reibungslos in die eigene Fahrzeugumgebung passen. Das Equipment anderer Hersteller ist durch proprietäre Hardware, oder eigene Kommunikationsprotokolle, in der Regel nicht miteinander kompatibel. Bei Smartphones haben sich die meisten Hersteller mittlerweile auf den weltweit verbreiteten Qi-Standard geeinigt. So weit sind Fahrzeugbauer allerdings noch nicht.

Lediglich in China gibt es bereits einen Vorschlag für einen Standard, Europa und Amerika haben noch einen weiten Weg vor sich. Nissan, BMW und Mercedes setzen beispielsweise auf ein sogenanntes Halo-System, das auf dem WEVC-Standard basiert.

Hyundai, Toyota und Honda arbeiten dagegen mit dem US-amerikanischen Unternehmen WiTricity zusammen, welches das DRIVE-System entwickelte. Zwar hat WiTricity Halo mittlerweile gekauft und strebt an, es in das eigene DRIVE-System zu integrieren. Eine klare Aussage darüber, wann dies der Fall sein wird, gibt es aber noch nicht.

Die Hauptaufgabe ist es, die Basis- und Fahrzeugladeeinheit hinsichtlich der möglichen Ladeleistung und der Kommunikation zu standardisieren. Im Rahmen des Projekts STILLE (Standardisierung induktiver Ladesysteme über Leistungsklassen) arbeiten 13 internationale Partner in Deutschland bereits an einer Standardisierung, dessen Abschluss allerdings noch offen ist.

Smartes Energiemanagement ist essenziell

Der Ausbau von Stromnetzen, die aus erneuerbarer Energie gespeist werden, ist ein wesentlicher Faktor für alle Ladekonzepte. (Bild: iStock)

Das Energiemanagement innerhalb eines Fahrzeugs ist von großer Bedeutung für die Fahrzeugeffizienz und die damit verbundene Reichweite. Mit der E-Mobilität steigen aber auch die Anforderungen an das Energiemanagement der gesamten Infrastruktur auf ein ganz neues Niveau.

Die Entwicklung braucht innovative Konzepte, für flexiblere und intelligente Stromnetze. Ein wesentlicher Faktor für den Erfolg der Elektromobilität ist das Einbinden von erneuerbaren Energien wie Windkraft und Photovoltaik. Erneuerbare Energien brauchen darüber hinaus entsprechende Speicher- und Energieverteilungskonzepte.

Durch induktives Laden, vor allem während der Fahrt, nimmt die Komplexität noch weiter zu. Haben sich Autofahrer erst einmal an den Komfort gewöhnt, ist der Anspruch an einen reibungslosen Ablauf hoch. Es muss sichergestellt sein, dass sich die Ladesysteme auch auf Spitzenlasten im Berufsverkehr einstellen können. Das ist nur ein kleiner Aspekt des kompletten Energiemanagements der Ladeinfrastruktur, das in seiner Gesamtheit betrachtet werden muss.

VW widmet sich mit seiner Tochterfirma Electric Life (Elli) bereits der Thematik. Elli arbeitet an einem umfassenden Konzept, das sich sowohl mit Ladetechnologie und -infrastruktur als auch effizienter Energiegewinnung und Energieverteilung beschäftigt.

Induktives Laden hat viel Potential

Die Vorstellung des induktiven Ladens ist reizvoll: Ladung während der Fahrt oder eben in der Garage über ein entsprechendes Modul – ciao, Kabel. Ganz so einfach ist es allerdings nicht. Die technischen Herausforderungen hinsichtlich der genauen Positionierung der Spulen zueinander und der davon abhängigen Wirkungsgrade, lassen die Entwickler noch ordentlich grübeln.

Auch die bislang fehlende Standardisierung von Basis- und Fahrzeugladegerät birgt ein hohes Risiko für Insellösungen. Auf dem Markt würde dann (möglicherweise) unnötige Komplexität entstehen. Da es sich aber noch um Projekte und eine aktive Forschung handelt, bleibt es weiterhin spannend, welche Fortschritte hier in den nächsten Jahren gemacht werden.

Titelbild: ElectReon

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