Mehrphasiges drahtloses Energieübertragungssystem erreicht 270-Kilowatt-Ladung und stellt einen weiteren Weltrekord für elektrische Leichtfahrzeuge auf

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Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben erfolgreich die erste drahtlose Energieübertragung von 270 kW auf ein leichtes Elektrofahrzeug demonstriert. Die Demonstration wurde in Zusammenarbeit mit der Volkswagen Group of America unter Verwendung des von ORNL entwickelten mehrphasigen drahtlosen Ladesystems durchgeführt.

Die Leistung übertrifft ORNLs jüngste Demonstration zum kabellosen Laden mit 100 kW und ist ein weiterer Durchbruch für schnelles kabelloses Laden.

„In den letzten drei Monaten haben die Forschungsteams des ORNL für Fahrzeugleistungselektronik und Elektroantriebe beeindruckende Weltrekorde für kabelloses Laden aufgestellt“, sagte Lee Slezak, Technologiemanager für Netz- und Ladeinfrastrukturen im Vehicle Technologies Office des DOE. „Diese Erfolge werden die Einführung von Elektrofahrzeugen in den USA weiter beschleunigen.“

Als leichtes Personenfahrzeug wäre es schwierig, den Porsche Taycan mit herkömmlichen großen, schweren drahtlosen Energieübertragungssystemen auszustatten. Das Fahrzeug kann die Ladehardware aufgrund von Platz-, Gewichts- und Volumenbeschränkungen nicht unterstützen. Bestehende drahtlose Ladesysteme für leichte Nutzfahrzeuge werden derzeit für bis zu 11 kW Leistung mit bis zu 92 % Wirkungsgrad entwickelt. Aktuelle Industriestandards decken bis zu 20 kW Leistung ab.

Das von ORNL erfundene System, das die Energie an den Porsche übertrug, verwendet leichte mehrphasige elektromagnetische Kopplungsspulen mit einem Durchmesser von knapp über 19 Zoll, die eine höhere Leistungsdichte in der kleinstmöglichen Spule ermöglichen. Dieser Vorgang ähnelt dem kabellosen Laden kleiner Verbrauchergeräte, aber die einzigartige Geometrie und das Design der mehrphasigen Spulen ermöglichen die Übertragung extrem hoher Leistungspegel mithilfe rotierender Magnetfelder, die von den Spulenphasenwicklungen erzeugt werden, um die Leistung zu steigern. Das Ladesystem wurde nahtlos in das Fahrgestell des Fahrzeugs integriert.

Die drahtlose Energieübertragungstechnologie umfasst auch Schutzsysteme, die das Überschreiten von Spannungs- und Stromgrenzen, Überhitzung und Kurzschlüsse verhindern. Diese Systeme können bei Stromunterbrechungen oder anderen unerwarteten Bedingungen, die eine sichere Energieübertragung beeinträchtigen würden, Abschaltvorgänge einleiten..

„Die für das Forschungsfahrzeug Porsche Taycan entwickelte Empfängerspule kann im Vergleich zu bestehenden Systemen eine 8- bis 10-mal höhere Leistungsdichte erreichen“, sagte Omer Onar vom ORNL, Leiter der Gruppe Vehicle Power Electronics und leitender Forscher bei der Porsche-Demonstration. „Pro Kilowattgewicht ist dies außerdem das leichteste Ladesystem der Welt.“

Die Leistungsdichte ist beim kabellosen Laden wichtig, da sie angibt, wie viel Leistung das System im Verhältnis zu seiner Größe verarbeiten kann. Ziel ist es, mit kleineren, kompakteren Systemen höhere Dichten zu erreichen, um die Gesamteffizienz und -leistung zu verbessern. Das System von ORNL kann innerhalb von 10 Minuten eine 50-prozentige Erhöhung des Ladezustands mit einer Effizienz von über 95 Prozent erreichen. Die Leistungsübertragung erfolgte über einen 4,75 Zoll großen Abstand zwischen dem Boden und der an der Unterseite des Fahrzeugs montierten Spule.

Die 270-kW-Demonstration markiert den Abschluss einer DOE-finanziertes Projekt, das ORNL und Volkswagen im Jahr 2021 angekündigt haben. Das Forschungsteam des ORNL nutzte Volkswagens Expertise in der Fahrzeugintegration, um das neue Konzept des kabellosen Ladens an einem Elektrofahrzeug zu testen. Ziel war es, das kabellose Ladesystem mit der höchsten Leistungsdichte durch ein neues Design zu entwickeln, das sich auf rotierende elektromagnetische Felder konzentriert. Diese Felder erhöhen die Effizienz, indem sie die Spannung reduzieren und elektrische Stromwelligkeiten und Feldauslöschungen zwischen den Spulenphasenwicklungen eliminieren.

„Es ist spannend zu sehen, welche bedeutenden Fortschritte Volkswagen und das Oak Ridge National Lab gemeinsam in vielen wichtigen Technologien machen. Die Innovationsprojekte, die in Ost-Tennessee erforscht werden, werden die Automobilindustrie verändern“, sagte Lyndon Lie, Chief Engineering Officer der Volkswagen Group of America. „Drahtloses Laden wie das in Oak Ridge demonstrierte könnte das Laden von Elektrofahrzeugen für Verbraucher deutlich einfacher machen. Schnelle Ladezeiten fördern die Einführung emissionsfreier Fahrzeuge und führen zu einem nachhaltigeren Transportsektor.“

Onar sagte, ORNL und Volkswagen planen, ihre Zusammenarbeit in naher Zukunft fortzusetzen, um den 270-kW-Ladeprototyp weiter zu verbessern und ihn zu einem kostengünstigeren und besser herstellbaren System weiterzuentwickeln.

„Wir arbeiten außerdem mit Volkswagen an der Entwicklung eines mehrphasigen Systems für Ladeanwendungen im Privatbereich und kooperieren mit der Entwicklung eines leichten Gehäusedesigns, das die mechanische, elektrische, thermische und magnetische Leistung verbessern wird“, sagte Onar. „Unser Ziel ist es, die Technologie so weit zu entwickeln, dass sie für den Einsatz in Serienfahrzeugen bereit ist.“

ORNL-Forscher haben im letzten Jahrzehnt technologische Verbesserungen beim kabellosen Laden demonstriert. Erreichen von 20 Kilowatt 2016 wurde es auf ein Sport Utility Vehicle übertragen, dessen Ladesystem einen von ORNL entwickelten Wechselrichter und Kupplungstechnologien nutzte. 2018 entwickelte das Forschungsteam erreichte eine 120-kW-Ladung Verwendung herkömmlicher Spulentechnologie bei Labortests.

Bei den 100- und 270-kW-Demonstrationen wurde das Mehrphasensystem des ORNL zum ersten Mal an Elektrofahrzeugen getestet.

„Wir arbeiten daran, deutlich höhere Gebührensätze für andere Fahrzeugtypen zu erreichen, und prüfen unter anderem die Möglichkeit einer deutlich höheren Gebühr für schwere Fracht- und Transport-Lkw“, sagte Onar.

Die Bemühungen des ORNL, höhere Ladetarife durchzusetzen, werden die Nutzung von Elektrofahrzeugen fördern, indem sie die Reichweite erhöhen und das Aufladen vereinfachen, was insbesondere für Pendlerfahrzeuge und leichte Personenkraftwagen für den täglichen Gebrauch erforderlich ist.

„Diese Errungenschaft bringt uns einen Schritt näher an die Realität einer Zukunft, in der ein Elektrofahrzeug in derselben Zeit, die man braucht, um in ein Geschäft zu gehen und sich einen Snack zu holen, an einer Ladestation anhalten und aufladen kann“, sagte Burak Ozpineci vom ORNL, Corporate Fellow und renommierter Forscher, der die Forschung zu Fahrzeug- und Mobilitätssystemen leitet. „Der Fahrer muss nichts weiter tun, als zu parken. Wir erforschen sogar Möglichkeiten, wie diese Technologie genutzt werden könnte, um ein Fahrzeug während der Fahrt auf der Straße aufzuladen.“

Das neuartige mehrphasige elektromagnetische Funksystem des ORNL wurde von Forschern im Labor für Leistungselektronik und elektrische Maschinen am DOE Nationales Verkehrsforschungszentrum am ORNL. Die Demonstrationen der Elektrofahrzeuge wurden im Grid Research Integration and Deployment Center am ORNL durchgeführt. Diese Demonstrationen fördern das Ziel des DOE, ein extrem schnelles Aufladen zu erreichen, nämlich ein System zu entwickeln, das 250 bis 300 Kilowatt an Elektrofahrzeuge liefert und die Ladezeit auf 15 Minuten oder weniger verkürzt. Die Bemühungen werden unterstützt von DOE’s Fahrzeugtechnologien BüroTeil des Amtes für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.

UT-Battelle leitet ORNL für das Office of Science des DOE, den größten Förderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Lösung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.

Mit freundlicher Genehmigung von ORNL.