Kabellos: Die neue Art, Elektrofahrzeuge aufzuladen
McLarens schnellstes Straßenfahrzeug aller Zeiten wird kabellos aufgeladen
Der McLaren Speedtail Hyper-GT ist das schnellste Straßenauto aller Zeiten des britischen Automobilherstellers. Gegen Ende der Tests erreichte ein Prototyp des eleganten Sportwagens mit Benzin-Elektro-Hybridantrieb auf dem Johnny Bohmer Proving Grounds, der Start- und Landebahn der NASA in Florida, 403 Kilometer pro Stunde (250 Meilen pro Stunde). Die Spezifikationen für das Serienmodell 2020 besagen, dass es in 13 Sekunden von 0 auf 300 Kilometer (186 Meilen) pro Stunde beschleunigen kann.
Um die leichte Batterie aufzuladen, wenn das aerodynamische Dreisitzer-Fahrzeug nicht verwendet wird, hat sich McLaren mit Lumen Freedom zusammengetan, um deren Wireless Electric Vehicle Charging (WEVC)-System zu nutzen. Der Speedtail ist das erste Fahrzeug weltweit, das über diese Funktion verfügt.
Obwohl induktives bzw. kabelloses Laden bei Telefonen, Smartwatches und anderen kleinen Geräten immer üblicher wird, stellt das kabellose System von Lumen Freedom für den Speedtail laut Rod Wilson, General Manager von Lumen Freedom, und Radek Pesina, Leiter des Softwareteams, eine einzigartige Lösung für Elektrofahrzeuge dar.
Für Kunden von Elektrofahrzeugen, insbesondere für Menschen mit Behinderungen, ist das kabellose Laden einfacher. Darüber hinaus reduziert ein solches System die optische Unordnung in städtischen Gebieten und benötigt weniger Platz als vorhandene Plug-in-Ladestationen.
Schließlich könnte das kabellose System die Reichweitenangst beseitigen, indem es Fahrzeuge auflädt, die an Ampeln stehen und auf Autobahnen fahren. „Die Zukunft wird viele verschiedene Ladeformen bieten“, sagte Wilson. „Derzeit haben wir den statischen Modus, und dann bewegen wir uns in den semidynamischen Modus. Der letzte Schritt ist das volldynamische Laden, bei dem Sie bei Geschwindigkeiten von über 100 Kilometern pro Stunde laden können.“
Für Lumen Freedom ist das Speedtail-Projekt nur der Anfang. Ihr produktionsreifes System hat das Potenzial, das Automobildesign, das Transportwesen und sogar das Stromnetz, wie wir es kennen, zu verändern.
Ladeleistung auf dem Prüfstand
Anstelle von Kabeln, Steckern und sperrigen Ladestationen verwendet das WEVC-System eine resonante induktive magnetische Kopplung. Strom von einer Stromquelle fließt von einem Sendepad auf dem Boden unter dem Fahrzeug durch den Luftspalt zu einem im Fahrzeug eingebauten Empfangspad. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung beträgt 92% oder mehr.
Bodenaggregat und Fahrzeugaggregat kommunizieren drahtlos miteinander. Fahrer können das Ladesystem entweder über den 10-Zoll-Touchscreen im Fahrzeug oder über eine App auf ihrem Smartgerät überwachen. Dank der großen Bodenfreiheit ist das System mit allen Fahrzeugtypen kompatibel, vom Hochleistungssportwagen bis hin zu Familienlimousinen und SUVs.
Seit seiner Gründung im Jahr 2016 hat Lumen Freedom das WEVC-Konzept verfeinert und das weltweit erste 11-kW-Einzelbox-System entwickelt. Lumen Freedom ist nun ein voll akkreditierter Lizenznehmer von Witricity.
Lumen Freedom verwendet zahlreiche Verfahren für physikalische Tests. Ein großer Aluminiumrahmen, ein sogenanntes Portal, ist an ein Hochspannungs-Stromversorgungssystem von Regatron angeschlossen, um den realen Betrieb und Strombedarf zu simulieren. „Sie müssen in der Lage sein, herauszufinden, wie viel Ihrer Energie an die Umgebung abgegeben wird und wie viel tatsächlich eingekoppelt wird“, sagte Pesina.
Beim kabellosen Laden von Elektrofahrzeugen stellt eine Fehlausrichtung des Fahrzeugs über der Basisplatte kein Problem dar, da das System über eine fortschrittliche Hybrid-Positionierungstechnologie verfügt. Das Lumen-Team testete die Ausrichtung mit computergesteuerten Schrittmotoren, um die Höhe und die X- und Y-Positionen für Ausrichtungsstudien anzupassen.
Mithilfe von Simulationen konnte das Team Sicherheitsprotokolle in die Systemsoftware einbauen, sodass jede von den Pad-Sensoren erkannte extreme Fehlausrichtung das gesamte Ladesystem automatisch abschaltet. Das WEVC-System verfügt über ein Fremdkörpererkennungssystem, das metallische Objekte in der Größe einer Büroklammer auf der Bodenfläche erkennen kann. Anschließend macht es den Fahrer per App auf das Hindernis aufmerksam. Das System wird heruntergefahren, bis der Fremdkörper entfernt ist.
Model-Based Design beschleunigt die Entwicklung
Wilson weist schnell darauf hin, dass automatische Sicherheitskontrollen bei allen Systemen Standard sind, nicht nur beim Produkt Lumen Freedom. Doch die Einführung von Model-Based Design beschleunigte den Entwicklungsprozess der Steuerungen.
Die Kernsoftwaremodelle und die Hauptlogik für das gesamte System, einschließlich der Bodengruppe und der Fahrzeugseiten, wurden mit MATLAB® und Simulink® entwickelt, sagte Pesina.
Insbesondere waren MATLAB und Simulink bei der Entwicklung des EV-Kommunikationscontrollers entscheidend, der die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Bodeneinheit verwaltet. Dieser Controller sendet wichtige Nachrichten an das Ladepad des Fahrzeugs und das interne Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs. Diese Kommunikation musste von einem festverdrahteten Controller auf einen Wi-Fi-basierten Controller umgestellt werden, erklärte Pesina.
Der Entwickler von Lumen konnte die wichtigste Zustandsmaschine schnell in die Modelle überführen. „In etwa drei oder vier Tagen war der erste Entwurf fertig“, sagte Pesina. „Er war voll funktionsfähig und führte dieselben Aktionen aus, die die Zustandsmaschine im C-Code ausführte.“
Eine erneute Runde von Anforderungsänderungen erforderte eine vollständige Umgestaltung der Zustandsmaschine. Der Entwickler hat das an einem Tag fertiggestellt. „Es war um ein Vielfaches schneller fertig, als wenn man es in C-Code geschrieben hätte“, fuhr Pesina fort. „Ganz zu schweigen davon, dass es viel einfacher zu simulieren und zu testen ist.“
Durch die Einbindung der Kommunikationsmodelle, der Leistungselektronik und der Zustandsmaschine in Modelle wurde die Simulation des gesamten Systembetriebs einfacher und sicherer. Die Entwickler konnten das kabellose Ladesystem auf ihrem Prüfstand einen vollständigen Zyklus durchlaufen lassen, ohne eine Stromübertragung durchzuführen. Dadurch wurden das Portal und die sonstige Ausrüstung für separate, kontrollierte Tests mit Hochspannung und Starkstrom verfügbar.
Die Leitung kappen
Das Lumen Freedom-Team geht davon aus, dass die Einführung von WEVC-Systemen durch OEMs und Infrastrukturanbieter zu umfassenden Änderungen führen wird. Ein Vorteil wird die letztendliche Reduzierung der Größe der Batterien für Elektrofahrzeuge sein. „Da kabelloses Laden und der Zugang dazu immer alltäglicher werden, gehen die Zukunftsprognosen davon aus, dass die Batteriegröße reduziert wird, weil nicht mehr so viel Energie an Bord mitgeführt werden muss“, sagte Wilson.
Kabelloses Laden könnte uns auch Vehicle-to-Home- und Vehicle-to-Grid-Szenarien näher bringen. Wilson prognostiziert, dass Elektrofahrzeuge künftig zur Stromversorgung von Haushalten beitragen oder als Kanäle dienen werden, über die der Strom wieder ins Netz eingespeist wird. Benutzer stellen den Batteriespeicher einfach auf den gewünschten Speicherpegel ein und drücken im Auto oder zu Hause eine Taste, um die Energieübertragung zu starten. Das voll aufgeladene Fahrzeug versorgt die Beleuchtung, den Fernseher und kleine Haushaltsgeräte mit Strom. Bei Haushaltsgeräten mit hohem Stromverbrauch würde das System auf Strom aus dem Netz zurückgreifen.
„Die Tests und die Machbarkeitsstudie sind abgeschlossen und in vielen Ländern werden Plug-in-Systeme bereits eingesetzt“, sagte Wilson. „Unser System wird für diesen Übergang bereit sein, wenn die Nachfrage da ist.“
Pesina geht davon aus, dass ein derartiges System das Netz stabilisieren und den Energieunternehmen zusätzliche Energie für die Versorgung stromausfallgefährdeter Gebiete bereitstellen würde.
Vehicle-to-Grid könnte die Nutzung erneuerbarer Energien fördern. Pesina verwies auf die Fähigkeit der Tesla Powerwall, ein Haus auch bei einem Stromausfall mit Strom zu versorgen. Ein Elektrofahrzeug könnte ähnlich funktionieren und bei einem lokalen Stromausfall eine private Photovoltaikanlage aufladen.
Das WEVC-System selbst macht Fortschritte. „Wenn das Ladepad im Freien unter Asphalt eingebettet ist, sendet es weiterhin Daten an ein Fahrzeug, selbst wenn es mit Schnee oder Hagel bedeckt ist“, sagte Wilson.
Lumen Freedom entwickelt ein halbdynamisches Laden für emissionsfreie Taxis und kleine Nutzfahrzeuge im Vereinigten Königreich. Durch das halbdynamische Laden ist es nicht mehr erforderlich, anzuhalten und die Fahrzeuge anzuschließen. Stattdessen berechnet das System dem Taxi die Kosten, während es durch die Taxi-Warteschlange fährt, und lädt sie bei jedem weiteren Platz in der Abholschlange ein wenig nach.
Auch das volldynamische Laden ist näher an der Realität. Im Rahmen eines mehrjährigen europäischen Projekts namens Fabric wurde die dynamische drahtlose Energieübertragung für Elektrofahrzeuge bei typischer Fahrgeschwindigkeit analysiert. Bei den Tests, die 2018 abgeschlossen wurden, wurde das System auf einem 100 Meter langen Testgelände in Frankreich erprobt. Das Projekt zeigte, dass die dynamische drahtlose Übertragung mittelfristig für Stadtbusse und Güterfernkorridore sowie natürlich auch für inländische Autos machbar erscheint. Das dynamische Laden beseitigt die Reichweitenangst und ermöglicht nahtloses, unterbrechungsfreies Laden bei Fahrten über lange Strecken auf Autobahnen.
Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen kommt gerade dann auf, wenn die Tests autonomer Fahrzeuge zunehmen. Im August 2020 kündigte der Bundesstaat Michigan Pläne an, den Bau einer 64 Kilometer (40 Meilen) langen Straße zwischen Ann Arbor und Detroit nur für autonome Fahrzeuge zu prüfen. Mehrere große Automobilhersteller erklärten sich bereit, ihren Beitrag zu leisten. Die Idee ist, mit Gemeinschafts-Fahrzeugen zu beginnen und dann auf Personen- und Lastkraftwagen auszuweiten.
Wilson geht davon aus, dass Städte auf der ganzen Welt solche Bereiche für autonome Elektrofahrzeuge einrichten werden, die während der Fahrt aufgeladen werden können. „Es kommt mit Volldampf“, sagte er. „Wir freuen uns auf eine große, strahlende, kabellose Zukunft.“
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