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Herausforderungen des induktiven Ladens in der Elektromobilität

Seminararbeit 2012 22 Seiten

BWL - Beschaffung, Produktion, Logistik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ausgangslage und Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

2 Induktives Laden in der Elektromobilität
2.1 Die Funktionsweise des induktiven Ladens
2.2 Realisierungsmöglichkeiten
2.2.1 Stationäres Laden
2.2.2 Dynamisches Laden

3 Herausforderungen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

4 Berechnung einer Fallstudie

5 Kritische Würdigung und Ausblick

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Blockschaltbild eines induktiven Ladegerätes

Abb. 2: Die vier Ladeszenarien

Abb. 3: Strommehrkostenvergleich der induktiven und konduktiven Ladung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Technologieentwicklung Ladepunkt - abgestimmtes Szenario

Tabelle 2: Ergebnisse der Szenarien 1-4

1 Einleitung

1.1 Ausgangslage und Problemstellung

Das Thema Elektromobilität beschäftigt die Automobilindustrie seit einigen Jahren sehr intensiv. Getrieben durch steigende Preise und die Verknappung von Rohöl, sowie durch umweltbewusstere Kunden, die neue Antriebskonzepte fordern. Der Ge- setzgeber fordert ebenfalls neue Antriebskonzepte, so möchte die Bundesregierung bis 2020 mindestens eine Millionen Elektrofahrzeuge auf den deutschen Straßen se- hen. Die CO2-Reduktion und der Schutz unserer Umwelt sind die beherrschenden Themen in der Öffentlichkeit und der effiziente Umgang mit Energie wird zu einer der größten Herausforderungen der Zukunft (Vgl. Hüttl, Pischetsrieder, Spath 2010, S. 21). Dass sehen auch 60% der Deutschen so, sie sagen Elektromobilität gehöre die Zukunft (Vgl. BITKOM 2010, S. 5).

Elektromobilität gibt es schon so lange, wie es Autos gibt, aber um 1900 ist die Menschheit davon ausgegangen, dass Erdöl in unbegrenzter Menge und kostengünstig vorhanden sein wird und somit erwies sich der Verbrennungsmotor als beste Antriebstechnik. Größere Reichweiten und die überlegene Energiedichte waren wesentliche Gründe dafür, dass der Elektroantrieb nicht weiterentwickelt wurde. Aber die Randbedingungen haben sich geändert. Der Rohstoff Öl ist nicht unbegrenzt verfügbar und die CO2-Emissionsziele in Verbindung mit der Zunahme des Individualverkehrs, vor allem im asiatischen Raum, stellen den Verbrennungsmotor in Frage (Vgl. Hüttl, Pischetsrieder, Spath 2010, S. 11).

Es gibt momentan zwei Arten von Elektrofahrzeugen, die Hybridfahrzeuge und die reinen Elektrofahrzeuge. Ein Hybridfahrzeug besitzt einen Elektroantrieb und einen Verbrennungsantrieb. Die rein batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge besitzen, wie der Name schon sagt, nur einen Elektroantrieb. Hier wird unterschieden zwischen batteriebetriebenen und brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen (Vgl. Wallentowitz, Freialdenhoven 2010).

Das das Thema Elektromobilität aktuell von solch wichtiger Bedeutung ist, zeigten Bundesregierung und Industrie 2009 mit der Gründung der „Nationalen Plattform Elektromobilität“ (NPE). Ziel der NPE ist es, „Deutschland zum Leitanbieter und Leitmarkt für Elektromobilität bis 2020 zu entwickeln“ (Vgl. BMU 2009, S. 5).

Eine der größten Chancen für die Elektromobilität ist die fortschreitende Urbanisie- rung. Studien sagen voraus, dass im Jahre 2050 mehr als 9 Milliarden Menschen auf der Erde leben werden und davon 6,3 Milliarden in Städten (3,4 Milliarden im Jahr 2009). Außerdem wird die Zahl der Megacities auf 29 anwachsen (Vgl. Hüttl, Pi- schetsrieder, Spath 2010 S. 21-22). Eine McKinsey-Studie zeigt, dass bereits 2015 allein in New York 70.000 Elektrofahrzeuge unterwegs sein werden, in Paris 60.000 und in Shanghai 25.000. Wobei 50% davon Plug-in Hybridfahrzeuge sein werden (Vgl. McKinsey 2010).

Zentrale Problemstellungen sind die Nachteile bezüglich der Reichweite, Anschaf- fungspreis und Ladedauer, welche Elektrofahrzeuge mit sich bringen. Diese Nachtei- le können kompensiert werden, indem sie in persönliche Vorteile für die Kunden übersetzt werden, beispielsweise durch Privilegien im Stadtverkehr oder intelligente Zusatznutzen (Vgl. Hüttl, Pischetsrieder, Spath 2010, S.13). Des Weiteren ist die Op- timierung der Batteriesysteme (ökonomisch und technisch) hinsichtlich Energiedich- te, Leistungsdichte, Lebensdauer, Reichweite, Ladedauer, u.v.m. ein zentraler Punkt. Daran arbeiten alle Automobilhersteller und Batteriesystemhersteller, um das Elekt- roauto gegenüber den Verbrennungsmotoren zukunftsfähiger und interessanter zu machen. Die Kosten für ein Elektrofahrzeug und dessen Betrieb bzw. Unterhalt sind ein zentrales Kriterium für oder gegen einen Kauf (Vgl. Schraven, Kley, Wietschel 2010).

Der Aufbau und die Finanzierung einer geeigneten Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge im halb-öffentlichen und öffentlichen Raum und die Auswahl der besten Ladetechnologie stellen weitere wichtige Problemstellungen dar. Induktives Laden ist eine der drei diskutierten Lademöglichkeiten von Elektrofahrzeugen, um die es in dieser Arbeit gehen wird. Die kabelgebundene Aufladung an der Ladestation, ein Batterietausch sind die anderen Möglichkeiten. Wobei induktives Laden die einzige dynamische Methode (Aufladen während der Fahrt) beinhaltet.

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

Ziel dieser Seminararbeit ist es die Möglichkeiten des Einsatzes der induktiven Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge zu analysieren. Insbesondere sollen die Funktionsweise und die Realisierungsmöglichkeiten untersucht werden, sowie der Einsatz aus wirtschaftlicher Sicht bewertet werden. Im Rahmen einer Fallstudie werden verschiedene Realisierungsmöglichkeiten gegenübergestellt.

Zunächst wird die Funktionsweise des induktiven Ladens für Elektrofahrzeuge beschrieben. Daran schließt sich eine Betrachtung der Realisierungsmöglichkeiten an, sowohl das stationäre, als auch das dynamische induktive Laden werden betrachtet. Darauf folgen eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und eine Analyse der Herausforderungen, bevor eine Fallstudie den Abschluss dieser Arbeit bildet.

2 Induktives Laden in der Elektromobilität

Als zentrale Herausforderung gilt die Auswahl der geeigneten Ladetechnologie, also die Frage nach dem Übertragungsweg der elektrischen Energie vom Stromanschluss zum Fahrzeug. Die möglichen Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge sind kabelge- bundenes konduktives Laden, womit die Aufladung mittels Kabel und Steckdose ge- meint ist. Alternativ gibt es die kabellosen Energieübertragungsverfahren, wozu die induktive und die kapazitive Technik, die Übertragung mittels elektromagnetischer Wellen und die optische Übertragung zählen (Vgl. Schraven, Kley, Wietschel 2010, S. 3). Im Hinblick auf die begrenzten Abmessungen eines Fahrzeugs und den min- destens notwendigen Luftspalten, die nur wenige Zentimeter messen dürfen, ist phy- sikalisch gesehen nur die induktive Ladetechnik eine wirkliche Alternative zum kabel- gebundenen Laden (Vgl. Wiesspeiner 2005, S. 1). Aus diesem Grund werden in die- ser Seminararbeit die induktive Ladetechnik und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Elektromobilität näher erläutert. Im Folgenden wird zunächst die Funktionsweise erklärt.

2.1 Die Funktionsweise des induktiven Ladens

Das Funktionsprinzip der induktiven Energieübertragung beruht auf dem klassischen Transformator. Der Unterschied besteht darin, dass die Primär- und die Sekundär- spule mechanisch getrennt sind (Vgl. Wiesspeiner 2005, S. 2). Ein zeitlich veränder- licher Strom in der Primärspule (Erregerwicklung) erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, welches die Sekundärspule, die sich in der Nähe befindet, zum Teil durchsetzt. Das Magnetfeld verursacht in der Sekundärspule eine Induktionsspan- nung, die letztlich einen zeitlich veränderlichen Strom erzeugt. Das erzeugte Magnet- feld überlagert sich mit dem der Primärspule (Vgl. Hu 2009), siehe Abb. 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Blockschaltbild eines induktiven Ladegerätes (Vgl. Wiesspeiner 2005, S. 2)

Die Primärspule befindet sich meist stationär in der Ladestation, beim dynamischen Laden in den Linienleitern, während die Sekundärspule mit dem Mobilteil verbunden ist. Die Übertragungsfrequenzen müssen zwischen 20-150kHz liegen, um eine Energieübertragung auch bei größeren Luftspalten, wie sie in der Elektromobilität bestehen, zu ermöglichen (Vgl. Hu 2009). Die magnetische bzw. transformatorische Kopplung zwischen den Spulen wird durch das Verhältnis Luftspalt zu Spulendurchmesser bestimmt. Je geringer dieses Verhältnis, desto besser die Kopplung. Die maximale Kopplung ergibt sich somit bei zwei flächenmäßig deckungsgleichen Spulen mit geringem Luftspalt (Vgl. Wiesspeiner 2005, S. 2).

Ein Nachteil dieser Methode sind die Streuinduktivitäten, durch die das System Blind- leistung aufnimmt, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führt. Als Streuin- duktivitäten werden die Magnetfelder bezeichnet, die nicht in der Sekundärspule an- kommen und somit verloren gehen. Das geschieht, wenn der Luftspalt zu groß wird oder die Spulen nicht deckungsgleich angeordnet sind. Zur Kompensation dieser Blindleistung werden primär- oder sekundärseitig hochwertige Kondensatoren ge- schaltet (parallel oder in Reihe), so dass ein Schwingkreis entsteht. Gewählt werden die Kapazitäten so, dass die Schwingkreise bei der Betriebsfrequenz in Resonanz sind, um die Wirkung der Streuinduktivitäten aufzuheben (Vgl. Schraven, Kley, Wiet- schel 2010, S. 5).

Als klassisches Beispiel werden hier elektrische Zahnbürsten angeführt. In der Lade- station befindet sich ein Eisenkern und im Handgerät (Mobilteil) befindet sich die Se- kundärspule, welche formschlüssig aufgesteckt wird. Die hohe Permeabilität des Ei- sens konzentriert die Feldlinien und sorgt dafür, dass diese die Austritts-Pole errei- chen. Dadurch ist eine bessere Kopplung möglich, da der magnetische Widerstand der Luftspule und somit die Streuinduktivitäten verringert werden (Vgl. Wiesspeiner 2005, S. 5).

Bei Elektrofahrzeugen könnte der Ladevorgang folgendermaßen aussehen. Hält ein Fahrzeug über einer Induktionszone, erkennt ein Energieeinspeisegerät den Ladezu- stand der Fahrzeugbatterie und startet den Ladevorgang. Die Batterie wird nun so lange geladen, bis sie voll ist oder das Fahrzeug weiterfährt. Dadurch, dass die Spu- len elektromagnetisch abgeschirmt sind, kann kein Magnetfeld in den Boden oder Fahrgastraum eindringen (Vgl. SEW-Eurodrive 2011, S. 9). Überall auf Park- und Halteflächen (z.B. an Ampeln) im urbanen Raum können Primärspulen zur Aufladung der Batterie installiert werden. „Die induktive Ladetechnik ermöglicht es - die Infra- struktur vorausgesetzt - das Fahrzeug in seinem alltäglichen Betrieb zu laden. Statt einen bewussten Tankvorgang auszuführen, stellt man das Fahrzeug einfach, zum Beispiel beim Einkaufen, bei der Arbeit oder zu Hause in der Garage, über eine La- defläche ab. Das Laden der Batterie erfolgt dann automatisch während der Still- standzeit. Überall wo ein Fahrzeug längere Zeit steht, macht es Sinn solch eine Infrastruktur zu installieren.“ (T. Götzmann von SEW-Eurodrive im Interview mit der etz) (Nolte 2011, S. 2).

Für den Einsatz der induktiven Ladetechnik in Elektrofahrzeugen ergeben sich einige Vorteile gegenüber kabelgebundenen Ladeverfahren. Die Vorteile im Überblick:

- Wetterunabhängiges, Vandalismus-sicheres, sauberes und zuverlässiges Ge- samtsystem
- Hoher Wirkungsgrad (≥ 90 %, sogar bis 97% (Vgl. Leppers 2011, S.1))
- Leicht zu bedienende und nutzerfreundliche Technik (kein An-/Abstecken)
- Kein zusätzlicher Raumbedarf
- Wartungsfrei und robust
- Energiesender im Boden
- Geeignet für Neuanlage und Nachrüstung
- Netzanschluss über Steckdose: 230 V mit 3,5kW Leistung
- Anschlussleistung bis 11kW mit Drehstrom möglich (Vgl. Brill, Lochner 2011)
- Hermetische Kapselung
- Keine Kontaktbelastung/Verschleiß (Vgl. Wiesspeiner 2005)

Als Nachteile sind die konstruktive Einheit von Lade- und Mobilteil, der Aufbau der Infrastruktur, vor allem bei dynamischem Laden, und die Komponentenentwicklung für höhere Anschlussleistungen zu sehen (Vgl. Wiesspeiner 2005).

Im März 2011 wurde bereits ein VDE-Standard (VDE-AR-E 2122-4-2) beschlossen, der die stationäre induktive Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge normiert. Dieser Ansatz wird nun in ein internationales Normungsprojekt eingebracht. Einige deutsche Autohersteller verwenden den Standard bereits (Vgl. VDE 2011). Ein Standard für die Ladetechnologie und die Schnittstellen ist von großer Bedeutung, da somit jedes Elektrofahrzeug an jeder Ladestation geladen werden kann und die Ladestationsbe- treiber nicht mehrere Technologien bereitstellen müssen. Das führt zu Kostenerspar- nissen. Für die Kunden ist ein internationaler Standard bei den Schnittstellen daher ein wichtiges Kaufkriterium.

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Details

Seiten
22
Jahr
2012
ISBN (eBook)
9783656129431
ISBN (Buch)
9783656129813
Dateigröße
743 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v189104
Institution / Hochschule
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig – Institut für Automibilwirtschaft und Industrielle Produktion
Note
2,3
Schlagworte
Induktion dynamisches Laden stationäres Laden Primärspule Sekundärspule Linienleiter Energieübertragung über Luftspalt Ladetechnik Ladetechnik Automobil induktive Ladetechnologie induktives Laden

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