Induktives Laden: Studierende bauen die Stromtankstelle von morgen

Induktives, also kabelloses Laden macht Elektroautos noch komfortabler. Allerdings stellen sich noch viele technische Fragen dazu. Mit ihrem Prototyp haben Studierende der ETH Zürich aufgezeigt, wie der induktive Ladepunkt der Zukunft konzipiert sein könnte. Die Fallstudie entstand im Auftrag des lab360 – des Innovationslabors von Energie 360°.

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Die riesigen Investitionen vieler Autohersteller in die Elektromobilität machen klar: Dem Elektroauto gehört die Zukunft. Während sich die Fahrzeuge im Alltag schon bestens bewähren, hapert es teilweise noch bei der Ladeinfrastruktur. Nach wie vor existieren unterschiedliche Stecker. Zudem empfinden einige Leute das Hantieren mit dem Ladekabel als mühsam.

Deutlich bequemer funktioniert induktives Laden. Dazu braucht es kein Kabel. Der Strom fliesst zwischen zwei Spulen, die sich einerseits am Boden und andererseits im Elektroauto befinden. In einigen Jahren soll die Technik sogenanntes Mikroladen ermöglichen, etwa vor Rotlichtern. Ausserdem ist das induktive Laden für autonome Elektrofahrzeuge nötig. Es sorgt für einen automatischen Prozess ohne Eingriffe von Menschen.

 

Bewegliche Bodenplatte

So gross das Potenzial des induktiven Ladens ist, so viele technische Fragen dazu bestehen noch. Zu den Herausforderungen im Alltag gehört, die Spule des Elektroautos und die Spule am Boden direkt übereinander zu platzieren. Denn nur dann wird die benötigte Übertragungsleistung erreicht. Allerdings befinden sich die Ladespulen der verschiedenen Elektroautos an unterschiedlichen Stellen. Eine fix platzierte Spule am Boden lässt sich somit nicht mit jedem induktiv ladbaren Elektrofahrzeug nutzen.

Hier setzt die Fallstudie von fünf Studierenden des Masterstudiengangs in Energy Science and Technology an der ETH Zürich an. Die Studierenden erhielten vom lab360 den Auftrag, die Elektromobilität für die Autofahrerinnen und Autofahrer bequemer zu machen. Dazu entwickelten sie eine induktive Ladelösung mit einer selbstjustierenden Grundplatte. Die gekapselte Ladestation im Boden authentifiziert zunächst das sich annähernde Auto. Darauf abgestimmt bringt die flexible Grundplatte die Spule auf dem Boden automatisch in die optimale Position. Die Studierenden setzten sich zum Ziel, dieses Konzept nicht nur theoretisch zu skizzieren, sondern mit einem kleinen Prototyp und einem Modellauto die Funktionsfähigkeit in der Praxis zu beweisen.


Schwierigkeiten meistern

Als Vorbild für die flexible Grundplatte nahm das Team die beweglichen Teile von 3-D-Druckern. Die Studierenden liessen sich von deren Bewegungen inspirieren. Zu den Herausforderungen beim Bau des Prototyps gehörte laut der Doktorandin Johanna Vorwerk, die das Team betreute, die richtigen Motoren: «Am Anfang verwendeten die Studierenden zu schwache Motoren. So bewegte sich die Platte nicht schnell und präzis genug.» Viel Denkarbeit erforderte auch das Programmieren der Steuereinheit. Leichter gelang es hingegen, einen Algorithmus zur optimalen Positionierung der Bodenplatte zu entwickeln. Für den Ladevorgang verwendeten die Studierenden zwei Arten von Sensoren: Erstens stellen Lichtsensoren fest, ob die Spulen nahe genug aneinander liegen und das Laden starten kann. Zweitens messen Stromsensoren die Übertragungsleistung und helfen dabei, die Platte noch besser zu platzieren, sodass die maximale Leistung erreicht wird.

Als Konstante des Projekts erwies sich der Zeitdruck. «Das Prototyping erforderte mehr Anpassungen als gedacht», sagt Johanna Vorwerk. «Die Studierenden entdeckten immer wieder neue Schwachstellen, die es zu verbessern galt.» Unter anderem wurden zur Sicherheit noch kurz vor der Präsentation alle gesteckten Kabel gelötet.

 


Publikumspreis gewonnen

Der Aufwand hat sich gelohnt: In nur drei Monaten ist ein Prototyp entstanden, der funktioniert. So haben die Studierenden den Proof of Concept erbracht. «Alle im Team sind sich einig, dass sie bei dieser praktischen Arbeit viel gelernt haben», erzählt Johanna Vorwerk. Das lab360 als Auftraggeber ist mit dem Resultat ebenfalls sehr zufrieden. Und als Sahnehäubchen haben die Studierenden mit ihrer Ladestation von morgen auch noch den Publikumspreis des Programms abgeräumt.

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Wie geht es nun weiter? In den Schlussfolgerungen ihrer Arbeit zeigen die Studierenden auf, dass ihr Konzept konkrete Ansätze für benutzerfreundlicheres induktives Laden liefert. «Solche Ladestationen liessen sich problemlos in die bestehende Infrastruktur einbauen, zum Beispiel unter den Asphalt bestehender Parkplätze», sagt Johanna Vorwerk. Um diese Vision weiterzuverfolgen, wäre noch viel Forschung und Entwicklung nötig – etwa für eine Ladestation in Originalgrösse. Zuerst einmal sind nun Prüfungen und Sommerferien angesagt. «Danach bestimmen die Studierenden gemeinsam, was sie mit dem Prototyp machen. Denn er gehört ihnen.»

 

lab360

Das Innovationslabor von Energie 360° entwickelt neue Angebote von Energie 360° und gestaltet die digitale Zukunft des Unternehmens mit. Als wichtigstes Kriterium steht immer der Kundennutzen im Zentrum. Schlanke Prozesse, agile Arbeitsformen und eine fokussierte Vorgehensweise sorgen für den Speed, den ein solches Team benötigt. Zu den erfolgreichen Projekten des lab360 gehört etwa die Lösung Smart Energy Link zur Optimierung des Eigenverbrauchs, die Anfang 2018 in ein Start-up ausgegliedert wurde. Das lab360 arbeitet eng mit der ETH zusammen und beauftragt regelmässig den Masterstudiengang in Energy Science and Technology mit Projekten.

 

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