Marco Jung, technicus in vermogenselektronica bij het Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel, heeft met zijn multifunctionele en bi-directionele laadsysteem in het elektrische voertuig een compleet nieuw, flexibel en comfortabel systeem ontwikkeld, dat door het meervoudig gebruik van dezelfde componenten zorgt voor vermindering van kosten, omvang en gewicht. Dit idee werd onlangs met de innovatie prijs voor de mobiliteitsindustrie bekroond.
Voor het bereiken van het ambitieuze doel om 1 miljoen elektrische voertuigen te laten rijden in 2020 zijn nog technologische ontwikkelingen noodzakelijk, die behalve de uitbreiding van de accu opslagcapaciteit ook de acceptatie door de gebruiker verbeteren.
“Als we de omschakeling naar duurzame energie economisch vorm willen geven en ook de uitstoot van CO2 willen verminderen, is het noodzakelijk om de verdere ontwikkeling van elektrische voertuigen te stimuleren”, benadrukt IWES-bedrijfsleider dr. Philipp Strauß. “Het bij ons instituut ontwikkelde systeem is een baanbrekende technologie, omdat het niet alleen verschillende laadtechnologieën in een apparaat combineert, maar ook de geplande terugvoer van de opgenomen energie in het openbare netwerk mogelijk maakt”.
Gecombineerd laadsysteem
Elektro- en plug-in-hybride voertuigen worden normaal gesproken via een fase geladen met het laagspanningsnet en de meegeleverde kabel. In combinatie met een stationair laadstation met geschikte stopcontacten en een voldoende gedimensioneerde elektrische installatie is sneller laden met een 3-fase stroom tot 63 A uit het net mogelijk. “De bekabelde oplossingen zijn weliswaar simpel en bijna overal beschikbaar, maar bieden weinig comfort in het gebruik”, verklaart Marco Jung, uitvinder van het laadapparaat en expert voor vermogenselektronica bij het IWES. De laadkabels kunnen ook zorgen voor struikelen en doelwit zijn van vandalisme en sabotage in de openbare ruimte.
Inductief laden
Contactloze, inductieve energieoverdracht vormt een alternatief voor conventioneel laden. “Inductief laden hoort bij het toekomstperspectief, omdat het veilig en comfortabel is”. Het systeem bestaat uit een in de voertuigvloer bevestigde module en een stationaire eenheid op straat, op de parkeerplaats, in de garage of op het bedrijfsterrein. De beide componenten vormen een primaire en een secundaire kant van het inductieve transmissiesysteem, dat met behulp van magnetische velden met elkaar wordt gekoppeld (transformator principe).
De stationaire unit (de zender) bestaat uit primaire wikkelingen en de primaire compensatie, die direct zijn verbonden met de omvormer. Deze zet de gelijkgerichte netspanning om in een wisselspanning met hoge frequentie (f = 140 kHz). Het daaruit voortvloeiend hoogfrequente elektromagnetische veld wordt gekoppeld aan de ontvanger, de pick-up. Deze bestaat uit een secundaire wikkeling, een compensatie-eenheid en een gelijkrichter. De beschikbare energie kan daarmee via het laadapparaat naar de accu.
Het multifunctionele en bi-directionele laadapparaat combineert de verschillende technologieën voor de verbindingen (met de kabel en inductief) in een apparaat en vormt daarmee het kerncomponent tussen batterij en laagspanningsnet.
De eerste steen voor de technologie werd gelegd door het ministerie van milieu, natuurbescherming, bouw en nucleaire veiligheid BMUB met het gesubsidieerde project W-Charge (contactloos laden van elektrische voertuigen – W-Charge). De verdere ontwikkeling van het idee loopt bij het Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität FSEM II.
Kosten-, volume- en gewichtsbesparing
De IWES-vermogenselektronica gebruikt voor alle functies dezelfde componenten. Laadapparaten bestaan in principe uit halfgeleiders, spoelen, besturings- en regelelektronica, passieve componenten als condensatoren en inductie spoelen en het koelsysteem, zware, dure en volumineuze onderdelen. “Het was ons doel om het aantal componenten te verminderen, maar toch in alle opties te voorzien.
De centrale gedachte daarbij was de geschikte, meervoudige benutting van de componenten”. Als men een 1-fase en een 3-fasen laadapparaat naast elkaar gebruikt, heeft men een groot aantal vermogens-halfgeleiders, passieve componenten, stuur- en regelelektronica nodig en voor elk deel een koelsysteem of een koppeling aan een koelkringloopsysteem. Komt er nog een inductief energie-overdrachtssysteem bij, dan stijgt het aantal nog verder. Het nieuwe systeem heeft echter aan acht halfgeleiders, die naar behoefte worden gebruikt, genoeg.
Ook het aantal inductieve componenten kon tot een minimum van vier worden verminderd. Door deze combinatie is ook maar een stuur- en regelelektronica component en een koelsysteem of een aansluiting op een koelkringloop nodig.
Breed toepassingsgebied
“Ons nieuwe laadapparaat is bijna de helft goedkoper en neemt 35% minder ruimte in het voertuig in dan andere oplossingen uit onderzoeken en ontwikkelingen van conventionele types”. De IWES-experts zijn ervan overtuigd, dat de nieuwe technologie niet alleen een concrete meerwaarde voor de autofabrikant en zijn toeleveranciers en klanten biedt, maar ook in breder veld van toepassingsmogelijkheden kent.
Bussen, brandweerauto’s, ziekenwagens en sleepdiensten zouden in de toekomst van de flexibele laadmogelijkheden kunnen profiteren. Door het terugleveren van energie zouden voertuigen in de toekomst ook als mobiele opslag voor hernieuwbare energie kunnen dienen of netwerk functies kunnen vervullen zoals het actief en reactief leveren van energie, regelenergie compensatie op frequenties, LVRT etc.
Na de octrooiaanvraag wordt nu gewerkt aan de verdere ontwikkeling van het nieuwe product voor de markt. Jung heeft al een businessplan ontwikkeld. Hiervoor kreeg hij de innovatie prijs voor mobiliteitsindustrie in het kader van de landelijke competitie voor de promotie van Nordhessen.
