Elektroautos: Reichweite in Zukunft kein Thema

3.2.2012 Stanford-Forscher haben eine neue Technologie, entwickelt, die drahtloses Aufladen von Elektrofahrzeugen während des Fahrens auf der Autobahn ermöglicht

Ein Forscherteam der Stanford University hat eine hocheffizientes Ladesystem entwickelt, dass die drahtlose Übertragung großer elektrischer Ströme zwischen Metall-Platten ermöglicht, die mehrere Meter voneinander sind. Langfristiges Ziel des Forschungsprojektes ist es, eine vollelektrische Autobahn zu entwickeln, die drahtloses Aufladen von PKW und LKW während des Fahrens ermöglicht.

Die neue Technologie kann zur drastischen Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen beitragen- denn mit Hilfe der Autobahn könnte man hunderte Kilometer fahren, so die Forscher. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters (APL) veröffentlicht worden.

"Unsere Vision ist, dass Sie auf jeder Autobahn fahren und Ihr Auto dabei laden", meint Shanhui Fan, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik. "Ein großtechnischer Einsatz würde die Umgestaltung des gesamten Autobahnnetzes bedeuten und könnte sogar für den Schwertransport verwendet werden."

Driving Range

Ein drahtloses Auflade-System könnte den Nachteil von Elektro-Autos - ihre begrenzte Reichweite, revolutionieren. Das "Charge-as-you-drive-System" würde diese Einschränkungen überwinden. "Was dieses Konzept so spannend macht, ist dass Sie möglicherweise damit unbegrenzte Zeit fahren, ohne wieder aufzuladen", sagt der Co-Autor der Studie, Richard Sassoon, der Geschäftsführer des Stanford Global Climate und Energy Project (GCEP), die die Forschung finanziert. "Man könnte sogar mehr Energie am Ende der Reise in der Batterie gespeichert haben als bei der Auffahrt."

Die drahtlose Energieübertragung basiert auf einer Technologie namens Magnetresonanz-Kopplung. Zwei Kupfer-Spulen schwingen in der gleichen Eigenfrequenz - wie zwei Gläser Wein, die, wenn eine bestimmte Note gesungen wird, vibrieren. Die Spulen sind ein paar Meter auseinander. Eine Spule wird mit elektrischem Strom versorgt, der ein Magnetfeld, das die zweite Spule in Resonanz bewirkt, erzeugt. Dieser Magnet-Resonanz-Ergebnisse führen zu unsichtbarer Übertragung von elektrischer Energie durch die Luft von der ersten Spule an die Empfangsspule.

"Die drahtlose Übertragung wird nur auftreten, wenn die beiden Resonatoren im Einklang sind," sagt Fan. "Objects in unterschiedlichen Frequenzen sind davon nicht betroffen."

2007 verwendeten die Forscher am Massachusetts Institute of Technology Magnetresonanz zur Versorgung einer 60-Watt-Glühbirne. Das Experiment zeigte, dass dadurch zwischen zwei stationären Spulen, die etwa sechs Meter voneinander liegen, Strom übertragen werden kann, auch wenn ein Mensch oder andere Hindernisse dazwischen stehen.

"Im MIT-Experiment hat sich gezeigt, das dieses Magnetfeld keinen Einfluss auf die Menschen, die zwischen den Spulen gestanden haben, hatte", erklärt Fan. "Das ist sehr wichtig in punkto Sicherheit."

Wireless-Laden

Die MIT-Forscher haben ein Spin-off Unternehmen gegründet, das die Entwicklung eines stationären Ladesystem forciert, damit können etwa 3 Kilowatt elektrischer drahtlos übertragen werden, wenn ein Fahrzeug in einer Garage oder auf der Straße geparkt ist.

Fan und seine Kollegen untersuchen, ob das MIT-System so geändert werden könnte, um 10 Kilowatt elektrischer Leistung über eine Entfernung von 6,5 Meter zu übertragen - genug, um ein Auto auf der Autobahn zu bewegen und entsprechende Geschwindigkeiten zu erreichen. Die Autobatterie würde einen zusätzlichen Schub für die Beschleunigung oder Bergauffahren liefern können.

Eine Reihe von Spulen würde in die Autobahn eingebettet werden. Empfangsspulen an der Unterseite des Autos würden zum Aufbau magnetischer Felder verwendet werdden, die kontinuierlich Strom zum Laden der Batterie übertragen.

Um zu bestimmen, der effizienteste Weg, bis 10 Kilowatt Leistung zu einem echten Auto zu übertragen, erstellt das Stanford-Team Computermodelle von Systemen mit Metallplatten hinzugefügt, um die grundlegenden Spule Design.

"Asphalt auf der Straße würde wahrscheinlich nur geringe Auswirkungen darauf haben, metallische Elemente im Auto könnten die elektromagnetischen Felder drastisch stören," erläutert Fan. "Deshalb versuchen wir herauszufinden, wie die eine optimale Übertragung funktioniert, wenn große Gegenstände aus Metall vorhanden sind."

Mit Hilfe mathematischer Simulationen haben die Postdoc-Stipendiaten Xiaofang Yu und Sunil Sandhu eine erste Antwort: Eine Spule, die in einem 90-Grad-Winkel gebogen ist und an einer Metallplatte befestigt ist, kann 10 Kilowatt elektrische Energie erzeugen, um an eine identische Spule die 6,5 Fuß entfernt ist, zu übertragen.

"Das ist schnell genug, um eine konstante Geschwindigkeit zu halten", sagt Fan. "Diese Spulen würden in die Straße eingebettet. Diese drahtlose Übertragung hat einen Wirkungsgrad von 97 Prozent."

Drahtlose Zukunft

Fan und seine Kollegen haben bereits eine Patentanmeldung für ihre Wireless-System eingereicht. Der nächste Schritt ist, es im Labor zu testen und schließlich soll es im realen Fahrbetrieb probiert werden. "Man kann recht zuverlässig anhand von Computersimulationen voraussagen, wie sich ein echtes Gerät verhalten würde", ist Fan sicher.

Die Forscher wollen auch sicherstellen, dass das System keinen Einfluss auf Fahrer, Beifahrer oder Dutzende von Mikrocomputern, wie Servo-Lenkung, Navigation, Klimaanlage und andere Fahrzeug-Details hat.

"Wir müssen schon sehr früh ganz sicher sein, dass kein Schaden für Menschen, Tiere, die Elektronik des Autos oder Kreditkarten in der Brieftasche passiert", sagte Sven Beiker, Executive Director des Center for Automotive Research an der Stanford University (CARS). Obwohl eine Kraftübertragung mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent extrem hoch ist, wollen Beiker und seine Kollegen sich sicher sein, dass die restlichen 3 Prozent als Wärme verloren gehen und nicht als potenziell schädliche Strahlung.

Einige Verkehrsexperten können sich bereits ein automatisiertes System vorstellen, in dem am Highway fahrerlose Elektrofahrzeuge kabellos durch Solarenergie oder anderen erneuerbaren Energiequellen aufgeladen werden. Das Ziel wäre auch, Unfälle zu reduzieren und gleichzeitig den Verkehrsfluss dramatisch zu verbessern, bei gleichzeitiger Senkung der Treibhausgas-Emissionen. Ein absolut schöne und wahrscheinlich nicht unrealistische Option.

Auch Wireless-Technologie könnte eines Tages helfen, die GPS-Navigation von fahrerlosen Autos zu ermöglichen. "GPS hat eine Grundgenauigkeit von 30-40 Fuß. Es sagt Ihnen, wo Sie auf dem Planeten sind, aber aus Sicherheitsgründen wollen wir sicherstellen, dass das Auto in der Mitte der Spur ist." so die Forscher. In dem vorgeschlagenen System könnten die Magnetfelder auch verwendet werden, um die Lenkung zu kontrollieren. Da die Spulen in der Mitte der Spur sein würde, konnten sie eine sehr präzise Positionierung ermöglichen, ohne zusätzliche Kosten.

Die Forscher arbeiten auch mit Michael Lepech, Juniorprofessor für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik zusammen, um die optimale Gestaltung der Sender zu studieren und festzustellen, ob Bewehrungen und andere Metalle im Gehsteig die Effizienz reduzieren.

Quelle: STANFORD UNIVERSITY