Induktives Laden
Die Abkürzung WiPT ['vai:pi:ti] steht für einen zertifizierbaren Standard für "Induktives Laden" und stammt von dem englischen Begriff "Wireless interoperable Power Transfer" ab. Übersetzt heißt dies "Kabellose interoperable Energieübertragung". Das Ziel dieses WiPT-Standard ist es, den Aufbau einer öffentlichen Infrastruktur zur kontaktlosen Energieübertragung auf Objekte wie Fahrzeuge oder Transportbehälter zu ermöglichen. Hierfür wird eine herstellerunabhängige und allgemein verfügbare Beschreibung der Technologie bereitgestellt, so dass Ladestationen und Fahrzeuge der unterschiedlichsten Hersteller jeweils wechselseitig garantiert Energie beziehen können.Die Erarbeitung dieses Standards wurde vom Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit über das Gemeinschaftsforschungsprojekt "Inductive norm test by exchange in real operation (INTEROP)" gefördert. Der gemeinsame Abschlussbericht ist unter INTEROP-Abschlussbericht zum Herunterladen erhältlich.
Das Konzept der kontaktlosen Energieübertragung
Mit der kontaktlosen Energieübertragung wird der Vorgang der Aufladung der Batterie eines Elektrofahrzeuges komplett automatisiert und damit erheblich vereinfacht. Ohne das Einstecken eines Ladekabels kann die Energieübertragung allein dadurch stattfinden, dass das Fahrzeug über einer "Ladeplatte" abgestellt wird. Dieses Prinzip ist bereits von elektrischen Zahnbürsten bekannt, welche auf eine Halterung gestellt werden und ebenfalls geladen werden, ohne dass es einen metallischen Kontakt gibt. Zu diesem Zweck besitzt das Fahrzeug am Unterboden eine sehr flache Abnehmerplatte. Über das magnetische Feld, welches die Ladeplatte generiert, kann die Abnehmerplatte Energie aufnehmen und an die Batterie weiterleiten.
In den vergangenen Jahren wurde dieses Konzept von mehreren Herstellern technologisch überprüft und wie am rechten Bild zu erkennen an für den Straßenverkehr zugelassenen Fahrzeugen umgesetzt. Damit die Fahrzeuge aller Hersteller auch auf den Ladeplatten jedes anderen Herstellers funktionieren, haben sich mehrere Wettbewerber am Markt zusammengeschlossen, um im Rahmen des Förderprojektes InterOp des Bundesumweltministeriums eine Interoperabilitätsbeschreibung zu entwickeln. Das daraus resultierende Ergebnis bildet den hier dargestellten WiPT-Standard.
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- Induktives Laden
Anwendungsbeispiele
Derzeit befinden sich etwa 10 Fahrzeuge im dauerhaften Betrieb auf öffentlichen Straßen, welche mit induktiver Ladetechnik gemäß dem WiPT-Standard ausgestattet sind. Dabei stammen die Ladeplatten der Versorgungsstationen von zwei unterschiedlichen Herstellern, die Fahrzeuge wurden von vier verschiedenen Herstellern ausgestattet. Einige Anwendungen dieser Fahrzeuge sind hier knapp dargestellt.Vom InnoZ betriebene Fahrzeugflotte der DB am Euref-Campus in Berlin
In unmittelbarer Nähe zum für Fernsehübertragungen genutzten Gasometer auf dem Euref-Campus in Berlin betreibt die InnoZ im Auftrag der DB eine Flotte bestehend aus drei Fahrzeugen und drei induktiven Ladeplatten. Die drei von German E Cars mit induktiver Ladetechnik ausgestatteten Fahrzeuge werden für tägliche Fahrten von Mitarbeitern des InnoZ im Berliner Stadtgebien genutzt.
Die Ladeplatten stammen von den Herstellern Vahle und SEW-Eurodrive, die induktive Ladetechnik der Fahrzeuge von IPT, Vahle und SEW-Eurodrive. Hier kann an einem öffentlich zugänglichen Ort die Interoperabilität praktisch erlebt werden.
Domino's Pizza Lieferservice in Berlin Hellersdorf
Bei Domino's Pizza Service (vormals Joey's) in Berlin Hellersdorf wird bestellte Ware mit einem induktiv geladenem iMiEV ausgeliefert. Bei jedem Stopp vor dem Geschäft kann der Lieferant sein Fahrzeug wieder für eine kurze Zeit nachladen. Da dies häufig am Tag vorkommt, summieren sich auch hier die Ladezeiten, so dass die vorgesehene Ladeleistung auch für diese gewerbliche Nutzung hinreichend ist. Bei einem kabelgebundenen Fahrzeug würde man wohl kaum diese kurzen Zeiten nutzen, da der Aufwand für das Stecken des Ladekabels als nicht lohnenswert empfunden wird. Als Stellplatz wird der Seitenstreifen einer normalen öffentlichen Straße genutzt.
Während des seit August 2015 laufenden Betriebs wurden auf dem von dem Energieversorger E.On betriebenen Stellplatz bereits mehr als 1700 kWh Energie übertragen.
Verteilfahrzeug von Streetscooter für die Deutsche Post
Einen für den Streetscooter angepassten induktiven Abnehmer entwickelt die Firma EAI aus Ilsenburg in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut ifak aus Magdeburg. Das für Postverteildienste optimierte Fahrzeug kann mittels der induktiven Ladetechnik anwendungsfreundlicher gestaltet werden und wird für die Zukunft fit gemacht. Gerade beim autonomen Fahren ein eine Laderampe ergänzt sich die induktive Ladetechnik, denn während der Beladung des Fahrzeugs wird auch die Batterie aufgeladen und es muss nicht mit hohem technischen Aufwand ein Stecker automatisch kontaktiert werden.
Im Rahmen des Projektes CO2-freie Zustellung werden weitere Fahrzeuge mit induktiver Ladetechnik ausgestattet, um den Betrieb der Fahrzeuge für die Angestellten weiter zu vereinfachen.
Betriebsfahrzeug von E.On/EDIS am Flughafen Schönefeld, Vahle in Kamen und dem Berliner Büro von SEW-Eurodrive
Als Fahrzeug für Servicearbeiten an den Energieversorgungseinrichtungen auf dem Flughafen Schönefeld betreibt der Energieversorger EDIS ebenfalls ein induktiv geladenes Fahrzeug. Auch an diesem Standort sind seit August 2015 ebenfalls bereits 900 kWh Energie an das Fahrzeug übertragen worden.
Weitere Fahrzeuge nutzen die Firmen Vahle und SEW an verschiedenen Standorten als Firmenwagen, wie in den rechten beiden Abbildungen zu sehen ist.
Pressemeldungen
http://motordialog.de/md-messe-spezial-ecartec-induktion/ - Ausstellung auf der eCarTec-Messe 2016http://ecomento.tv/2015/11/03/e-on-testet-induktives-laden-fuer-elektroautos-in-der-praxis/http://www.erneuerbar-mobil.de/projekte/interop
http://www.eon.com/de/presse/pressemitteilungen/pressemitteilungen/2015/10/21/eon-tests-inductive-charging-for-electric-vehicles-in-and-around-berlin-partners-are-edis-joeys-pizza-and-sew-eurodrive.html
http://www.streetscooter.org/forschung
http://www.german-e-cars.de/projekte/
https://www.innoz.de/de/interop-interoperables-induktives-laden
Die technischen Kennwerte
Im Kern adressiert der WiPT-Standard die breitgefächerte Anwendung der induktiven Ladetechnik auf öffentlichen Parkplätzen, auf Parkstreifen neben der Fahrbahn, auf Parkflächen von Arbeitgebern oder Geschäften und auf privaten Stellflächen z.B. in der heimischen Garage. In all diesen Fällen steht das Parken des Fahrzeuges im Vordergrund, der Ladevorgang erfolgt als zusätzliche Dienstleistung quasi nebenbei. Es handelt sich quasi um einen "Stromparkplatz" auf dem man während des Parkens auch Laden kann. (Trotzdem ist der WiPT-Standard nicht auf diese Anwendungsfelder beschränkt und über die hier dargestellten Anwendungsfelder und technischen Kennwerte erweiterungsfähig.)Die breitgefächerte Anwendung im öffentlichen Raum stellt die technologisch größte Herausforderung dar, da verfügbare Anschlussleistung, Robustheit, Verfügbarkeit und Wartungsfreiheit ebenso gegeben sein müssen wie ein hohes Maß an Sicherheit. Gelöst werden diese Anforderungen mit folgenden Kennwerten:
- Leistung 3 kW
- Betriebsfrequenz 140 kHz
- Aktive Fläche der bodenseitigen Ladeplatte 80 cm * 80 cm
- Wirkungsgrad: knapp 90%
- Versatztoleranz: +- 10 cm
Als Hilfsmittel beim Einparken erhält der Fahrer eine optische Anzeige, die ihm den Weg zur bestmöglichen Position zur Ladeplatte anzeigt.
Interoperabilität
Unter Förderung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit haben sich vier namhafte Technologiehersteller mit Erfahrung in kontaktloser Energieübertragung sowie ein Forschungsinstitut zur wissenschaftlichen Begleitung zusammengefunden, um eine Interoperabilitätsdefinition zu gestalten.Die erarbeitete Lösung basiert auf einer Quellendefinition. Die Gestaltung dieser Definition lehnt sich an der bekannten Haushaltssteckdose an. In der gesamten Versorgungsinfrastruktur findet man garantiert immer dieselbe Art von Steckdose an. Es gibt also eine eindeutige Definition für die Quellenseite der Energieversorgung. Dort kann mit den unterschiedlichsten Steckervarianten Energie bezogen werden, d.h. die Steckerart bleibt flexibel und es ist auch unerheblich, mit welcher Technologie der Strom erzeugt wird, ob nun mittels Kraftwerk oder Solarzellen.
Einzig das Wissen über die Geometrie der Steckdose, d.h. Innenmaß der Vertiefung, Lage der Buchsenkontakte und die unabhängig von der Last zur Verfügung stehende Quellenspannung erlaubt die Gestaltung von Verbrauchern.
Für die induktive Ladetechnik ist eine gleichartige sehr knappe Quellendefinition ausschließlich für die Ladeplatte der Versorgungsseite möglich. In Analogie wird in diesem Fall die Geometrie der magnetisch wirksamen Ferritlage für den magnetischen Rückschluss festgelegt, die Lage der Wicklung und der in der Wicklung fließende Quellenstrom, aus welchem der Verbraucher Energie beziehen kann. Somit erhält man quasi eine "induktive Steckdose".
Internationale Normung
Es ist ausdrückliches Ziel des Bundesumweltministeriums als Fördergeber für die Findung der Interoperabilitätsdefinition im Rahmen des Förderprojektes InterOp ("Inductive Norm Test by Exchange in real Operation"), mit den Forschungsergebnissen der Technologieunternehmen die Formulierung internationaler Standards im Sinne der Interoperabilität zu gewährleisten. Nur mit einer Interoperabilität kann eine öffentliche Infrastruktur für die Elektromobilität erfolgreich entstehen.Aufgrund der Prägnanz der Interoperabilitätsdefinition konnte der Verbund der Technologiehersteller das internationale Normungsgremium für die Erstellung der Norm zur kontaktlosen Energieübertragung zur Aufnahme dieser Definition in den Normungsentwurf überzeugen.
Im September 2015 wurde diese WiPT-Interoperabilitätsdefinition in den Entwurf der IEC 61980-3 für induktive Energieübertragung als Annex AA normativ aufgenommen und in den Fachkreisen veröffentlicht.
Dieser Annex stellt die zur Zeit einzige technologie- und herstellerunabhängige Standardisierung für einen wechselseitigen Betrieb von Versorgungsstationen und Fahrzeugen dar, der interoperabel eine Energieübertragung garantieren kann. Es handelt sich zudem um den einzigen Annex, bei dem die Praxistauglichkeit durch dauerhaften täglichen Betrieb im öffentlichen Raum unter Interoperabilitätsbedingungen mit einer größeren Fahrzeugflotte nachgewiesen wurde (vgl. Abschnitt Anwendungsbeispiele).
Inhärente Systemsicherheit
Der WiPT-Standard ist derart gestaltet, dass für die oben dargestellten technischen Kennwerte eine inhärent sichere Konstruktion für die kontaktlose Energieübertragung möglich ist. Unter inhärenter Sicherheit versteht man, dass ein System aus seiner Konstruktion heraus eigensicher ist und keiner aktiven Schutzmaßnahmen wie z.B. Abschalteinrichtungen bedarf.Nur von einem solchen System lässt sich erwarten, dass es wartungsfrei betrieben werden kann, da aktive Schutzeinrichtungen in ihrer Funktion regelmäßig überprüft werden müssten und ein potentielles Ausfallrisiko darstellen. Folgende wesentliche Aspekte wurden beim WiPT-Standard analysiert und konstruktiv berücksichtigt.
Elektrische Sicherheit
Bei der Verwendung der induktiven Ladung ist kein Verbindungskabel zwischen Ladesäule und Fahrzeug mehr notwendig. Das bedeutet nicht nur eine komfortablere Bedienung, sondern vermeidet auch mögliche elektrische Unfallrisiken beispielsweise durch mechanisch geschädigte Verbindungskabel. Auch Witterungseinflüsse können keine Gefährdungen hervorrufen, da keinerlei elektrisch leitfähige Komponenten an der Oberfläche liegen.Stolperfreiheit
Auf öffentlich zugänglichen Plätzen wird die Ladeplatte der Versorgungsstation in der Straßenoberfläche versenkt, so dass sich ein bodenebenes Erscheinungsbild ergibt. Dadurch ergibt sich eine, verglichen mit Ladesäulen, eleganteren Optik und Integration in das Stadtbild und es wird kein für einen Passanten störendes Stadtmobiliar installiert. Eine unbenutzte Parkfläche bleibt für einen Fußgänger zum Begehen frei, ohne jegliche Gefahr des Stolperns.Magnetfeldfreiheit bei Nichtbenutzung
Schon aus Gründen der elektrischen Energieeinsparung wird die Ladeplatte der Versorgungsstation abgeschaltet, sobald sich kein Fahrzeug über dieser befindet. Nur wenn das Fahrzeug ein (ebenfalls induktives) Signal an die Ladeplatte sendet und die Ladeplatte vollständig überdeckt, kann sich die Energieübertragung aktivieren. Beim Begehen der Ladeplatten ist somit keinerlei Magnetfeld vorhanden.Erwärmung metallischer Körper
Während des Betriebs der Ladeplatte baut sich zwischen Boden und Fahrzeug ein magnetisches Feld auf. Dieses kann in metallische Fremdkörper eindringen, welche sich möglicherweise zwischen den Feldplatten befinden, und diese erwärmen. Für Gegenstände des täglichen Alltags wie Geldstücke, Schlüssel, Blechdosen für Getränke, Werkzeuge, ja sogar Mobiltelefone etc. ist die Erwärmung jedoch derart gering, dass hierdurch keine Gefährdung beim Aufheben dieser Gegenstände entsteht. Trotz der hohen Übertragungsleistung ist dies möglich, da die Energieübertragung über eine relativ große Fläche stattfindet und damit die auf die Fläche der Fremdkörper bezogene Energieübertragung sehr klein bleibt. Dies setzt jedoch voraus, dass auch die unter dem Fahrzeug befindliche Abnehmerplatte eine große Fläche aufweist, was nicht notwendigerweise bei allen Herstellern der Fall ist. Hersteller von Abnehmern mit kleiner Fläche benötigen daher Detektionsmaßnahmen und eine damit verbundene Abschalteinrichtung. |
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Für die Stärke der Erwärmung ist die Flussdichte (Stärke des magnetischen Feldes) die bedeutsame physikalische Größe. Die von einer induktiven Energieübertragung gelieferte Leistung setzt sich aus dem Produkt von Frequenz, Fläche und Flussdichte zusammen. Wählt man die Betriebsfrequenz und die Fläche möglichst groß, so kann man die gleiche Leistung bei möglichst kleiner Flussdichte übertragen. Die oben dargestellten technischen Kennwerte sind genau an diesen Kriterien ausgerichtet. Die Fläche nutzt den unter einem Fahrzeug verfügbaren Platz möglichst aus und die Frequenz liegt möglichst hoch, nämlich gerade unterhalb des Frequenz von Langwellensendern für den Rundfunkempfang. Da beim Parken aufgrund der meistens langen zur Verfügung stehenden Zeit auch nur eine geringe Leistung notwendig ist (und bei geringen Kosten hergestellt werden kann) erhält man eine Lösung mit sehr kleinem magnetischen Feld.
Entflammungshemmung für Fremdkörper
Bei metallisch beschichtetem Papier kann es auf der Oberfläche der Metallbeschichtung zu relativ hohen Temperaturen kommen. Die sehr geringe thermische Kapazität des Materials verhindert jedoch, dass es zu einer Verletzung beim Anfassen kommt. Vereinfacht gesagt, der Finger kühlt das Material schneller ab, als das Material den Finger erwärmt.
Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Trägerpapier der Metallbeschichtung sich nicht so weit erwärmt, dass es zu einer Flammenbildung kommt.
Wie im vorausgegangenen Abschnitt bereits beschrieben, hilft auch hier die Auslegung für geringste mögliche Flussdichten (vgl. Abschnitt "Erwärmung metallischer Körper"). Mit den zur Verfügung stehenden Dimensionen lässt sich eine Entflammung von metallisch beschichtetem Papier verhindern, so dass auch für diese Fragestellung bei der gewählten Größe des Abnehmers am Fahrzeug keine Sensorik und Abschaltung notwendig ist.
Wirkung der magnetischen Felder auf den menschlichen Körper
Die Bewertung der magnetischen Felder auf den menschlichen Körper erfolgt anhand der ICNIRP-Richtlinie, welche Grenzwerte für die dauerhafte Wirkung der Felder angibt. Mit Hilfe von Simulationen des Körpergewebes können die Einflüsse von technischen Systemen ermittelt und den Grenzwerten gegenübergestellt werden. Derartige Untersuchungen wurden auch für den WiPT-Standard mit großflächiger Abnehmerplatte durchgeführt. Mit Hilfe der im Abschnitt "Erwärmung metallischer Körper" beschriebenen Maßnahmen konnte die Einhaltung der Grenzwerte gezeigt werden, selbst dann, wenn man im laufenden Ladebetrieb einen Gegenstand unter der Mitte des Fahrzeuges hervorholt. Sowohl die Fläche des Abnehmers als auch die hohe Betriebsfrequenz stellen eine notwendige Voraussetzung für dieses Ergebnis dar.
Auch die allgemein bekannte Technologie von RFID-Tags, mit deren Hilfe z.B. markierte Produkte von einer Kasse im Einkaufswagen identifiziert werden können, arbeitet mit der gleichen Frequenz wie die hier beschriebene kontaktlose Energieübertragung. Interessanter Weise hält die kontaktlose Energieübertragung die für die RFID-Tags gestatteten Grenzen der magnetischen Felder ebenfalls ein. Da die RFID-Technik weltweite Akzeptanz in der Frequenznutzung genießt, kann dies auch für den WiPT-Standard erwartet werden.
Sicherheit für Herzschrittmacher
Aktive Körperhilfsmittel wie z.B. Herzschrittmacher reagieren besonders empfindlich auf äußere magnetische Felder. Auch diese dürfen selbstverständlich durch den Betrieb von induktiver Ladetechnik nicht negativ beeinflusst werden. Hersteller von Herzschrittmachern garantieren normativ hinterlegt eine unbeeinflusste Funktion bis zu Flussdichten von 6,25 µT. Auch in dieser Frage wurde der Nachweis erbracht, dass auch bei einem unter das Fahrzeug greifenden Herzschrittmacherträger die Flussdichte am Ort des Herzschrittmachers bzw. dessen Elektroden dieser Wert unterschritten bleibt.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der WiPT-Standard eine eigensichere Realisierung der induktiven Ladetechnik erlaubt. Empfindliche, leicht zu störende und wartungsintensive Sensoren für eine Systemabschaltung sind daher im angestrebten Kernanwendungsbereich der breit gestreuten öffentlichen Infrastruktur zum Laden beim Parken nicht notwendig. Einem Nutzer wäre auch nicht gedient, wenn er am Morgen feststellt, dass sein Fahrzeug nicht geladen ist, weil jemand am frühen Abend eine Münze unter das Fahrzeug geworfen hat, sein es nun absichtlich oder aus Versehen.
Die Eigensicherheit garantiert somit vor allem eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Energieübertragung.