Nieuwe technologie maakt opladen elektrische veerboten en voertuigen mogelijk

Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben de technologie voor inductief opladen verder ontwikkeld om het opladen van accu’s met hoog vermogen mogelijk te maken zonder menselijke tussenkomst of een robotarm. De technologie is klaar voor onmiddellijke presentatie aan de industrie.

Een nieuw type siliciumcarbide halfgeleider en een nieuw ontwikkelde koperdraad zo dun als een menselijke haar. Door deze twee factoren is het plotseling realistisch geworden om grote vermogens door de lucht te sturen.

Inductief opladen

Elektrische tandenborstels doen dit al tientallen jaren. En de laatste jaren hebben mobiele telefoons en andere draagbare elektronica de technologie overgenomen. Maar tot nu toe leek de optie van draadloos opladen te complex en ondoeltreffend voor het hoge vermogen van accu’s van elektrische voertuigen.

Inductief opladen voor batterijvoertuigen lijkt echter een doorbraak te hebben gemaakt, vooral wanneer er vaak moet worden opgeladen en de omgeving veeleisend is; een elektrische veerboot in de stad bijvoorbeeld.

Opladen zonder menselijke hulp of een robotarm

Dit betekent dat elektrische veerboten die regelmatig stedelijke waterwegen doorkruisen geen menselijke hulp of een robotarm nodig hebben om hun batterijen op te laden. Hetzelfde geldt voor stadsbussen of de bestuurderloze elektrische voertuigen die worden gebruikt in de industrie, de mijnbouw en de landbouw.

Yujing Liu, hoogleraar Electric Power Engineering aan de faculteit Elektrotechniek van Chalmers, houdt zich intensief bezig met de omzetting van hernieuwbare energie en de elektrificatie van het transportsysteem. “Je kunt een systeem in de kade laten inbouwen dat de veerboot bij sommige haltes oplaadt terwijl de passagiers in- en uitstappen. Automatisch en volledig onafhankelijk van weer en wind kan het opladen 30-40 keer per dag plaatsvinden. Dit is waarschijnlijk de meest voor de hand liggende toepassing,” zegt professor Liu. “Zelfs voor de e-truck van de toekomst is er een potentiële toepassing. Het probleem is dan dat het opladen daarvan met voldoende hoog vermogen betekent dat de oplaadkabel erg dik, zwaar en moeilijk hanteerbaar is”.

Nieuwe mogelijkheden door vooruitgang in materialen

Volgens Liu is het de snelle ontwikkeling van een handvol componenten en materialen in de afgelopen jaren die nieuwe mogelijkheden heeft geopend. “Een belangrijke factor is dat we nu toegang hebben tot krachtige halfgeleiders op basis van siliciumcarbide, de zogenaamde ‘SiC-componenten’. Als energiebron voor elektronische producten zijn deze nog maar enkele jaren op de markt. Zij stellen ons in staat hogere spanningen, hogere temperaturen en veel hogere schakelfrequenties te gebruiken in vergelijking met traditionele componenten op basis van silicium”.

Dit is belangrijk omdat het de frequentie van het magnetisch veld is die bepaalt hoeveel vermogen kan worden overgedragen tussen twee spoelen van een bepaalde grootte.

Frequenties vier keer hoger

“Eerdere systemen voor inductief opladen in voertuigen gebruikten frequenties van ongeveer 20 kHz, ongeveer zoals een gewone kachel. Ze werden omvangrijk en de energieoverdracht was niet erg efficiënt. Nu werken we met frequenties die vier keer zo hoog zijn. Ineens wordt inductie aantrekkelijk”, legt Liu uit. Hij voegt eraan toe dat zijn onderzoeksgroep in nauw contact staat met de twee grootste fabrikanten van SiC-modules ter wereld.

“Met hen is een snelle productontwikkeling gaande naar nog hogere stromen, spanningen en vermogens. Om de twee of drie jaar worden nieuwe versies gelanceerd die meer aankunnen. Dergelijke componenten zijn belangrijke “enablers”, met een breed scala aan toepassingen op gebieden als elektrische voertuigen. Dus niet alleen voor inductief opladen”.

Een andere recente technologische sprong betreft de koperdraden in de spoelen die het oscillerende magnetische veld zenden en ontvangen dat de eigenlijke brug vormt voor de energie om over de luchtspleet te stromen. Het doel is een zo hoog mogelijke frequentie te gebruiken.

“Dat lukt niet met gewone geluste koperen spoelen. Het zou leiden tot zeer grote verliezen bij hoge frequentie”, zegt Liu. De nieuwe spoelen zijn gemaakt van gevlochten “kopertouwen”. Deze bestaan uit tot 10.000 kopervezels, elk tussen 70 en 100 micron dik, zoals een haarlok. Deze vlechten van zogenaamde Litz-draden zijn geoptimaliseerd voor hoge stromen en frequenties en zijn pas de laatste jaren commercieel verkrijgbaar.

Een derde voorbeeld dat Liu belicht is een nieuw type condensator dat wordt gebruikt om reactief vermogen toe te voegen. Dit is een voorwaarde om de spoel een voldoende krachtig magnetisch veld te laten opbouwen. Aan de andere kant is het magnetisch veld nog zeer zwak, zelfs wanneer het zich tussen oplaadplaten bevindt. Het zwerfveld neemt dramatisch af naarmate de afstand tot de laadplaten toeneemt. Binnen ongeveer een halve meter neemt het af tot het internationaal vereiste niveau voor blootstelling van het publiek.

Liu benadrukt dat bij het inductief opladen van elektrische voertuigen verschillende conversiestappen nodig zijn; tussen gelijkstroom en wisselstroom en tussen verschillende spanningsniveaus. “Dus, als we zeggen dat we een efficiëntie van 98 procent hebben bereikt van gelijkstroom in het laadstation naar de batterij, betekent dat cijfer misschien niet veel als je niet zorgvuldig definieert wat er wordt gemeten,” legt Liu uit. “Maar je kunt het ook zo stellen: er treden verliezen op, of je nu gewone geleidende lading via kabels gebruikt of laadt door middel van inductie. De efficiëntie die we nu hebben bereikt, betekent dat de verliezen bij inductief laden bijna net zo laag kunnen zijn als bij een geleidend laadsysteem. Het verschil is zo klein dat het praktisch verwaarloosbaar is. Het is ongeveer één of twee procent”.

Cijfers

Liu voegt eraan toe dat de door zijn onderzoeksgroep gepubliceerde resultaten veel aandacht hebben getrokken. “Wij behoren waarschijnlijk tot de beste ter wereld wat betreft efficiëntie in deze vermogensklasse, tussen 150 en 500 kW”.

Liu denkt niet dat inductieladen uiteindelijk het laden met een kabel zal vervangen. “Ik rijd zelf in een elektrische auto en zie niet dat ik in de toekomst iets aan inductieladen heb. Ik rij naar huis, plug in… het is geen probleem”.

Is draadloos opladen een duurzamere technologie dan opladen op de gebruikelijke manier? “Je moet waarschijnlijk niet beweren dat de technologie zelf duurzamer is. Maar het kan het makkelijker maken om grote voertuigen te elektrificeren en zo de uitfasering van zaken als dieselveerboten te versnellen.