E-Auto kabellos laden mit 98,5 Prozent Effizienz – neues Material löst ein altes Problem der Technik

Ein Elektroauto fährt auf einen Parkplatz – und beginnt zu laden, ohne dass jemand ein Kabel einstecken muss. Was für kleine Geräte wie Smartphones schon seit Jahren gängige Technik ist, bleibt bei großen Akkus für E-Autos ein Problem. Wer ein E-Auto kabellos laden will, braucht dafür eine Ladeplatte im Boden und eine passende Technik im Fahrzeug. Die Energie wird dabei über ein Magnetfeld übertragen, ähnlich wie beim kabellosen Laden eines Smartphones. Gerade bei hoher Leistung entsteht jedoch viel Wärme, und ein Teil der Energie geht verloren.

Ein internationales Forschungsteam aus Hongkong, China, Neuseeland und Großbritannien hat nun einen 20-Kilowatt-Lader entwickelt, der dieses Problem deutlich verringern soll. Wie die Chinese Academy of Sciences (CAS) berichtet, wird die neue Technik in einer Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Communications beschrieben.

Möglich macht sie ein speziell behandeltes Metall im Inneren der Ladeplatte. Der Versuchsaufbau erreichte eine AC-AC-Effizienz von 98,51 Prozent. Das bedeutet: Bei der kabellosen Energieübertragung kamen 98,51 Prozent der eingesetzten Leistung auf der Fahrzeugseite an. Auch bei einem dreistündigen Belastungstest blieb das Ladesystem thermisch stabil.

Weniger Magnetwirkung, mehr Effizienz

Die Weiterentwicklung betrifft das Material. In der Technik der kabellosen Energieübertragung wird normalerweise Ferrit genutzt. Ferrit ist ein magnetischer Keramikwerkstoff, der allerdings einen Nachteil bei hoher Leistung mit sich bringt: Die entsprechenden Ladepads erwärmen sich stark und verlieren an Effizienz. Die Forscher suchten deshalb nach einem Material, das gut leitete, ohne sich zu stark aufzuheizen und fanden diese Eigenschaften in nanokristallinen Eisenlegierungen.

Beim Laden durch Induktion überträgt ein kabelloses Ladepad die Energie durch ein Magnetfeld. Bei magnetischen Kernen gilt für gewöhnlich eine hohe Permeabilität, also wie gut ein Material auf ein Magnetfeld reagiert und den magnetischen Fluss führt, als wünschenswert.

Bei den untersuchten Ladesystemen brachte eine hohe Durchlässigkeit jedoch kaum Vorteile. Ab einem bestimmten Punkt verbesserte sich die Energieübertragung nur noch wenig. Der Grund lag vor allem im Abstand zwischen Ladeplatte und Fahrzeug: Dieser Luftspalt bremst den magnetischen Energiefluss stärker als das Material selbst.

Zu hohe Werte bei der magnetischen Durchlässigkeit hatten sogar Nachteile. Denn reagiert ein Material zu stark auf das Magnetfeld, kann sich die Energie an einzelnen Stellen konzentrieren. Der magnetische Fluss konzentrierte sich im Versuch beispielsweise an den Rändern der Kerne. Dadurch entstanden dort höhere Energieverluste und mehr Wärme.

Als günstig erwies sich eine mittlere magnetische Durchlässigkeit. Deshalb veränderten die Forscher die innere magnetische Struktur der nanokristallinen Eisenlegierungen so, dass bei der Energieübertragung weniger Wärme entstand.

25 Millimeter dünnes Pad bringt 20 Kilowatt Ladeleistung

Aus dem speziell behandelten Material bauten die Wissenschaftler ein besonders flaches Ladepad. Es ist insgesamt nur 25 Millimeter dick und kann rund 20 Kilowatt Leistung übertragen. Laut der Arbeit lässt sich die Technik vorne oder hinten am Fahrzeug unterbringen. Für automatisiertes Laden müsste das Auto dann nur passend über der Ladefläche stehen – ein Kabel wäre nicht mehr nötig.

Besonders deutlich wurde der Unterschied beim Dauertest. Ein Ladepad mit herkömmlichem Ferrit wurde nach etwa 30 Minuten zunehmend ineffizient. Nach rund 50 Minuten wurde der Versuch wegen drohender Überhitzung abgerochen.

Auch ein anderes Vergleichsmaterial mit konventionellem nanokristallinen Kern entwickelte einzelne sehr heiße Stellen. Die optimierte Variante lief dagegen drei Stunden lang bei voller Leistung stabil weiter. Dabei entstanden auch im magnetischen Material deutlich geringere Verluste.

Kabelloses Ladesystem noch nicht serienreif

Die Effizienz von 98,51 Prozent gilt allerdings nur für den eigentlichen kabellosen Teil des Ladevorgangs. Sie sagt also nicht aus, wie viel Strom aus dem Netz am Ende tatsächlich im Akku ankommt. Verluste, die davor und danach bei der Umwandlung des Stroms entstehen, sind in diesem Wert nicht enthalten. Die Gesamt-Effizienz des Ladevorgangs liegt daher niedriger.

Auch wurden die Magnetfelder rund um das Ladepad gemessen. In 30 Zentimetern Abstand blieben die Werte unter den Grenzwerten für Menschen mit Herzschrittmachern oder anderen Implantaten. Bislang wurde das System jedoch nur unter kontrollierten Bedingungen getestet. Ein serienreifes Ladesystem für den Alltag oder den Massenmarkt ist es noch nicht.

Kurz zusammengefasst:

• Ein E-Auto kabellos zu laden kann auch bei hoher Leistung sehr effizient funktionieren: Der getestete 20-Kilowatt-Lader erreichte bei der eigentlichen drahtlosen Energieübertragung eine AC-AC-Effizienz von 98,51 Prozent.
• Der wichtigste technische Fortschritt entsteht durch die Verwendung eines neuen Materials: Eine speziell behandelte nanokristalline Eisenlegierung erzeugte deutlich weniger Wärmeverluste als herkömmlicher Ferrit und lief im Test drei Stunden stabil.
• Die 98,51 Prozent sind keine Gesamt-Ladeeffizienz vom Stromnetz bis zum Akku: Verluste vor und nach der kabellosen Übertragung sind darin nicht enthalten, und ein serienreifes System für den Massenmarkt ist die Technik noch nicht.

Übrigens: Nur wenige schwache Zellen können die Lebensdauer eines gesamten Akkus deutlich verkürzen. In einer Studie sank so die errechnete Lebensdauer von E-Autos im Schnitt um 17,7 Prozent. Mehr dazu in unserem Artikel.

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