Bidirektionale elektrische Energieübertragung durch induktive Ladestationen: Grundlagen zu Entwurfsstrategien, simulationsgestützten Schirmoptimierungen und elektromagnetischen Umweltverträglichkeitsuntersuchungen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Clemens; Professor Dr.-Ing. Benedikt Schmülling
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324925030

Induktive Ladesysteme zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen in Elektromobilen sollen den Ladeprozess von Fahrzeugen vereinfachen und beschleunigen und werden derzeit bereits im Prototypenstadium erprobt. Dies berücksichtigt aber derzeit keine weitergehenden Konzepte, in denen Elektrofahrzeuge und hybridelektromobile Fahrzeuge auch als Energiespeicher für das angeschlossene Energienetz fungieren sollen, da technische Lösungen für die notwendige bidirektionale induktive Ladetechnik noch nicht in ausreichendem Maße vorliegen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung ingenieurwissenschaftlicher Grundlagen zu bidirektionalen induktiven Ladestationen unter Berücksichtigung ihrer zukünftigen Verwendbarkeit und technischen Leistungsfähigkeit. Diese Forschungsarbeiten umfassen auch simulationsgestützte Vorabuntersuchungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bzgl. der elektronischen Systeme bzw. der Umweltverträglichkeit (EMVU) für Personen innerhalb und in der Nähe des Fahrzeuges. Diese Eigenschaften hängen von der Wirksamkeit der Magnetfelddämpfung durch Schirmungssysteme ab, die zur Einhaltung existierender Grenzwerte zu betrachten sind. Besondere technische Schwierigkeiten in den bidirektionalen Übertragungssystemen entstehen hierbei durch die Kombination von hohen Leistungsflussdichten der magnetischen Wechselfelder mit geringen elektrischen Leitfähigkeiten von Leichtbauwerkstoffen in den Fahrzeugkarosserien moderner Elektrofahrzeuge.In diesem Forschungsprojekt sollen mit labortechnischen und rechnergestützten Simulationen die Grundlagen für geeignete Konfigurationen solcher bidirektionaler induktiver Ladesysteme erarbeitet werden. Zudem sollen geeignete Schirmungssysteme und die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Schirmungsmaterialien durch geeignet weiter zu entwickelnde, hochauflösende numerische Feldsimulationsverfahren und den Aufbau einer messtechnischen Simulationsumgebung für diese Schirmstrukturen erforscht werden. Bei der Auslegung und Optimierung nehmen hierbei numerische Feldsimulationsmethoden besonderen Stellenwert ein, die in diesem Forschungsprojekt dahingehend methodisch erweitert werden, dass Übertragergeometrien und der Einfluss magnetischer Schirme in realitätsnahen EMVU Feldsimulationen mit hochauflösenden Menschmodellen deutlich genauer als bisher berücksichtigt werden können und damit eine rechnergestützte Optimierung dieser Systeme bzgl. Materialeinsatz und Gewichtsminimierung möglich wird. Die besondere wissenschaftliche Herausforderung liegt hierbei in dem Multiskalencharakter dieser dreidimensionalen Feldanordnungen: Aus Gewichtsgründen müssen sehr dünne, leichtgewichtige und teilweise mit komplexen dreidimensionalen Geometrien versehene Schirmungsstrukturen in räumlich ausgedehnten komplexen Umgebungsgeometrien (z.B. in Fahrzeugen) betrachtet werden, in denen zudem noch räumlich hochauflösende Körpermodelle für die elektromagnetische Felddosimetrie positioniert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen