Elektromobilität: Ultraschnelles Herstellen des Failsafe-Zustands beim Fahrzeug und unabhängige Datenübertragung für die induktive Ladetechnologie

Mithilfe dieser Schaltung lässt sich fahrzeugseitig in weniger als 20 µs ein Failsafe-Zustand herstellen. Weiterhin bietet das System eine unabhängige Datenübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite eines induktiven Ladesystems.

Induktive Ladesysteme bieten diverse Vorteile für die Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen. Sie benötigen keinen Platz in der Vertikalen, sind praktisch unsichtbar und vor Beschädigungen gut geschützt. Kabel als Stolperfallen im öffentlichen Raum entfallen ebenfalls, was besonders bei zunehmender Verbreitung der Elektromobilität zum Tragen kommt. Zudem ist auch das Handling sehr einfach – der Nutzer platziert das Fahrzeug auf einer bestimmten Stelle und registriert sich bspw. via WLAN – alles andere passiert automatisch. Doch Systeme für das induktive Laden sind nur betriebssicher, wenn sie Fehlerfälle zuverlässig erkennen und darauf reagieren können.

Wenn es während eines Ladevorgangs zu Fehlern kommt, muss sich die Sekundärseite (Empfänger, bzw. Fahrzeug) möglichst schnell in einen sog. eigensicheren Zustand (Failsafe-Zustand) begeben. Primär- und Sekundärseite eines Ladesystems müssen also möglichst lückenlos und schnell miteinander kommunizieren, um optimale Abläufe zu gewährleisten. Passiert dies nicht, können Steuergeräte und Speicher erheblichen Schaden nehmen, aber auch eine Gefährdung für den Nutzer kann entstehen. Eine Datenübertragung via WLAN oder Bluetooth bietet eine unzureichende Geschwindigkeit und Sicherheit für ein effizientes Failsafe-Signal. Andere Lösungen sind überaus kostspielig. Bisher fehlt es hier an einer zuverlässigen, einheitlichen Lösung für die kabellose Elektromobilität.

Die Erfinder des Instituts für Elektrische Energiewandlung (IEW) der Universität Stuttgart entwickelten ein System, das einen besonders schnellen und zuverlässigen Datenaustausch zwischen Primär- und Sekundärseite eines kabellosen Ladesystems ermöglicht und so einen Failsafe-Zustand des Fahrzeugs in weniger als 20 µs ermöglicht. Dazu werden fahrzeugseitig im passiven Gleichrichter nur zwei Schalter ergänzt (siehe S1 und S2 in der Abb., idealerweise MOSFETs für eine möglichst hohe Schaltgeschwindigkeit). Diese werden parallel zu den Lowside-Gleichrichterdioden verschaltet und mit einer Ansteuereinrichtung verbunden, sodass sie gleichzeitig aktivierbar sind. Damit lässt sich die Sekundärspule effizient kurzschließen. Eine Detektionseinheit im Primärkreis registriert daraufhin die Phasenverschiebung bzw. einen Stromanstieg (also ohne eine separate Datenübertragung auf der Primärseite) und unterbricht automatisch den Ladevorgang. So dauert die Rückkopplung nach Erreichen des Failsafe-Zustands der Sekundärseite auch nur etwa 60 µs.
Durch diese vergleichsweise einfache Ergänzung können während des Ladevorgangs alle wesentlichen bzw. sicherheitskritischen Signale auf die Primärseite übertragen werden, ohne dabei auf herkömmliche Datenkanäle wie WLAN oder Bluetooth zurückgreifen zu müssen. Findet gerade keine Energieübertragung statt, kann mithilfe der zwei Schalter unter Einbeziehung der Sperrschichtkapazitäten der Gleichrichterdioden Pulse auf der Sekundärseite erzeugt werden und so vor und nach dem Ladevorgang eine eigenständige, unabhängige Kommunikation vom Fahrzeug zur Ladestation bereitgestellt werden.

• sichere Kommunikation zwischen Sekundär- und Primärseite über eigenen Datenkanal
• effektiver Schutz der Sekundärseite (Fahrzeug) in beliebigem Zustand
• ermöglicht Lade-Abschaltung in wenigen µs
• sehr kostengünstig realisierbar

Diese Technologie eignet sich zur Minimierung der Fehleranfälligkeit von kabellosen Ladesystemen sowie zur unabhängigen, schnellen Datenübertragung. Ideal für die Elektrofahrzeug-Ladeinfrastruktur, aber auch für andere Batteriesysteme.