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Induktives Laden: Wie wir in Zukunft Akkus laden

Induktives Laden: Eine Einführung

Die kontaktlose Ladetechnik kann die Handhabung vieler Geräte erheblich erleichtern. Interessant ist die Technik insbesondere für Geräte, die täglich in Gebrauch sind, zum Beispiel Telefone, Zahnbürsten, Spielzeuge, Rasierapparate und ähnliche Geräte im Haushalt. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nicht die Handhabung von Steckverbindern umständlich und lästig ist, sondern die Sicherheit des Betreibers im Vordergrund steht. Elektrofahrzeuge gehören in diese Kategorie: Sie müssen auch bei Regen, Wind, Eis und Schnee geladen werden. Ebenfalls problematisch sind Geräte, die sich in gefährlichen Umgebungen befinden.

Drahtlose Ladetechnik

Das drahtlose Aufladen eines Akkus bezeichnet eine Ladetechnik, bei der die Energie zum Aufladen des Kabels drahtlos (ohne Steckverbindungen) und (kontaktlos) ohne elektrische Kontakte zwischen Anwendungsteil und Ladestation übertragen wird. Die drahtlose Energieübertragung wird im Grunde über folgende Arten bereitgestellt:

EnergieformWirkkomponenteWandlerLeistungReichweiteWirkungsgrad
Optisch Strahlung LED-Solarzelle mW m < 1 %
Mechanisch Bewegung Piezowandler W μm 80 %
Kapazitiv Spannung Elektrode μW μm 60 %
Induktiv Strom Spule kW cm 98 %
Elektromag. Feld Welle Antenne μW km < 1 %

Aus theoretischer und praktischer Sicht kommt in der Praxis die induktive Übertragung im Nahfeld von zwei Spulen am häufigsten infrage. Im Vergleich zum konventionellen Trafo gibt es nur den Unterschied, dass die Primär- und Sekundärseite nicht mechanisch miteinander verbunden ist. Das Mobilteil wird zum Laden lediglich in das Feld der Ladestation (Adapter) gelegt. Der Vorteil dieser Technik:

  • kein lästiges An- und Abstecken von Steckern
  • kein Verschleiß und keine Kontaktbelastung
  • potentialfrei und berührungssicher
  • hermetische Kapselung
  • fehlersicher

Die drahtlose Akku-Ladetechnik ist in folgenden Beispielen im Einsatz:

  • elektrische Zahnbürste
  • autonome Roboter
  • aktive Chipkarten
  • Implantate
  • medizinische Handgeräte
  • Langzeit-Telemetrie
  • Hörgeräte
  • Monitor-Einschubtechnik
  • Explosionsschutzgeräte
  • Elektrofahrzeuge

Induktives Laden bei Elektrofahrzeugen

Die sogenannte induktive Energieübertragung ist ein heiß diskutiertes und vielversprechendes Zukunftsthema, welches im Bereich Elektromobilität den Ladevorgang sicherer und natürlich komfortabler gestalten soll. Das Konzept klingt im Grunde sehr simpel: Der Ladestrom wird magnetisch und berührungslos von einer Spule auf eine Zweite übertragen. Erstere kann beim Aufladen eines Elektroautos in einen Parkplatz integriert werden. Für den Nutzer entfällt so das Ein- und Ausstecken des Kabels, was die Sicherheit und den Komfort erhöht. Das induktive Laden ist selbst unter extremen Witterungsbedingungen bei Eis, Schnee und Nässe problemlos möglich.

Akku während der Fahrt aufladen

Der nächste Schritt dieser Technologie wäre es, Elektrofahrzeuge nicht nur im Stillstand in Parkplätzen aufzuladen, sondern auch während der Fahrt. Da es beim induktiven Laden keine mechanischen Verbindungen gibt, lässt sich die Energieübertragung dynamisch, also auch während der Fahrt, realisieren. Glücklicherweise beeinflusst die Fahrgeschwindigkeit des Automobils die Energieübertragung nicht. So entsteht eine ungeahnte Flexibilität für elektrifizierte Fahrzeuge. Die Übertragung im fahrenden Zustand ist beim induktiven Ladesystem allerdings aufwendig, da die Position der Sekundärspule über dem Primärleiter genau sein muss und ein definierter Luftspalt eingehalten werden muss.

Die integration des Systems im Verkehr

Problematisch ist auch die Integration der Leitungen: Unter oder in die Straßen integrierte Kabel müssen die Überfahrten von Fahrzeugen ohne Schädigungen ertragen. Hinzu kommen äußerliche Einwirkungen durch das Wetter und Temperaturschwankungen. Auch eine spätere Wartung ist als kritisch zu betrachten, da die Kabel nur schwer erreichbar sind. Die Bauteile müssten somit äußerst zuverlässig sein und eine lande Lebensdauer besitzen. Dass dies möglich ist, zeigt die südkoreanische Stadt Gumi: Hier kommen zwei Elektro-Busse mithilfe der Technologie „Shaped Magnetic Field in Resonance“ ohne Stopps an Ladestationen aus. Das Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) entwickelte das Online Electric Vehicle (OLEV), welches Strom kontaktlos mithilfe von Kabeln, welche in den Straßenbelag eingebettet sind. Laut KAIST erhalten die beiden Busse bei einer Frequenz von 20 Kilohertz rund 100 Kilowatt. Das System ist so intelligent, dass es die Stromversorgung nur dann einschaltet, wenn einer der Busse vorbeifährt.

Mögliche Personengefährdung

In puncto Sicherheit spielt die elektromagnetische Verträglichkeit eine große Rolle. Der Einsatz des induktiven Ladesystems ist nur dann möglich, wenn das elektromagnetische Feld außerhalb des Automobils sicher ist. Da das Feld zur Übertragung möglichst stark sein soll, kann es zu Sicherheitsproblemen und gesundheitlichen Risiken kommen, wenn es frei abstrahlt. Um dieses Risiko zu eliminieren, müssen die zu bestromenden Primärleitersegmente des Fahrzeugs sehr kurz sein, etwa ein Meter. So wird nur unterhalb des Fahrzeugs ein Feld aufgebaut.

Induktives Laden im Haushalt

Auch wenn das induktive Laden bei Elektrofahrzeugen sehr praktisch ist, besitzen aktuell die wenigen Menschen ein E-Auto. Für sie ist diese Technologie viel interessanter, wenn sie im Haushalt eingesetzt werden kann.

Smartphones kabellos aufladen

Im Bereich der Unterhaltungselektronik gibt es bereits die Möglichkeit, ohne Kabel zu laden. Die Geräte werden dabei auf eine Matte gelegt und aufgeladen. Dieses Prinzip ist den meisten Menschen von der elektrischen Zahnbürste bekannt: Die Ladematte entwickelt ein Magnetfeld, welches seine Feldlinien in Richtung und Stärke ändert. Sobald ein Smartphone auf die Matte gelegt wird, induziert es eine Spannung, welches den Akku auflädt. Das kabellose Laden eines Smartphones hat im privaten Bereich noch einige Nachteile:

  • Kosten & Platz: Die Ladespule für das Smartphone benötigt Platz und die Komponenten kosten Geld.
  • Energieeffizienz: Die Energieeffizienz ist nach Gerät unterschiedlich, hinzu kommt ein kleiner Energieverlust über den Stromstecker.
  • Elektrosmog: Trotz Abschirmung emittiert die Ladestation und der Empfänger elektromagnetische Strahlung. Zwar ist diese im Vergleich zu anderen Strahlungsquellen im Haushalt gering, dennoch ist sie nicht zu ignorieren.

Warum induktives Laden trotz zahlreicher Hürden die Zukunft ist

Wie aus diesem Artikel hervorgeht, hat das induktive Laden zahlreiche Vorteile, die das Leben unserer Gesellschaft spürbar vereinfachen kann. Dennoch bedarf diese neuartige Technologie noch jahrelange Forschung und Entwicklung, bis sie in all unseren Lebensbereichen eingesetzt werden kann. Aktuell sind die teuren Bauteile der Hochfrequenztechnik der Hauptgrund, warum das induktive Laden die konduktive Alternative nicht in absehbarer Zeit ablösen wird. Entscheidend für die Zukunft wird auch die Nutzerakzeptanz sein: Vorteile wie Bedienerfreundlichkeit werden eine große Rolle spielen und können dem induktiven Laden den entscheidenden Vorteil zum Durchbruch bringen. Artikelbild: © Pavel Ignatov / Shutterstock

Tags: Akkus
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