Das geht schnell. Dem Laden von Elektrofahrzeugen dürfte bald eine Rapid-Revolution bevorstehen. Mit Hilfe eines kleinen Motors und einer Art Stempel, der an den Unterboden der E-Fahrzeuge andocken kann, ermöglichen künftig Forscher*innen des Fraunhofer IVI das Stromtanken in nur wenigen Minuten. Dazu kommt: Das System und der Einbau sind einfach und kostengünstig. Eine Hürde aber ist die aktuelle Akku-Generation in den Elektromobilen. Sie sind für derartige Ladegeschwindigkeiten noch nicht ausgelegt.

Dass sich der »Tank« bei Elektrofahrzeugen nur sehr langsam zu füllen scheint, liegt nicht allein an der Ladestation oder dem Akku, der nur schonend mit Strom versorgt werden soll. Hauptgrund für die im Schnitt ein bis fünf Stunden Wartezeit für ein Volltanken ist die Schnittstelle zwischen Auto und Stromnetz. Oder genauer: Schuld ist das kabelgebundene Laden über Stecker. Denn diese Verbindung macht es nahezu unmöglich, dass deutlich mehr Strom fließt als die bei einer Schnellladung maximal aufzubietenden 250 kW. Grund dafür ist vor allem die Berührungsfläche der Steckkontakte. Denn um ein annäherndes Maximum an Stromfluss zu erreichen, müssen die Kontakte so gut wie möglich zusammengepresst werden – und das ist beinahe ausgeschlossen. »Ein Stecker schafft zwar eine Verbindung, aber die Kontaktstellen sind auf mikroskopischer Ebene nie absolut eben. Im Kupfer bilden sich Hügel und Täler«, erklärt Frank Steinert vom Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI. Um diese Unebenheiten zumindest etwas zu glätten, müsste das Gebirge nun durch eine sehr große Kraft eingedrückt und eingeebnet werden. Das aber, so Steinert, sei bei einer herkömmlichen Steckverbindung unrealistisch. Wer kann schon händisch einen derartigen Druck ausüben?

Die Konsequenz: Weil weniger Kontaktkraft genutzt werden kann, entstehen Widerstände und damit eine starke Erwärmung. Und um eine zu starke Erwärmung durch mehr Strom zu vermeiden, ist ein höherer Stromfluss erst gar nicht vorgesehen. »Die Leistungsfähigkeit des Ladesystems ist damit auf im Idealfall 250 bis 300 kW Ladeleistung begrenzt«, sagt Steinert. 

Bis zu zehnmal höhere Ladeleistung

Er und sein Team vom Fraunhofer IVI haben nun aber eine überraschend einfache und effiziente Lösung ausgearbeitet. Sie setzen dabei nicht auf klassische Steckverbindungen, sondern auf Stirnkontakte, die eine deutlich größere, definierte Kontaktfläche nutzen. Dabei – so das Konzept - drücken leicht konvexe Kupferpins der wegseitigen Lademimik auf passende Kupferelemente auf der Fahrzeugseite. Und obwohl der Kontakt je Pin auf nur rund einen Quadratzentimeter beschränkt ist, kann die Verbindung nun bei nur geringer Erwärmung ein Vielfaches an Strom übertragen. Das System funktioniert zudem automatisch. In den Boden – beispielsweise einer Tankstelle - wird ein kompaktes Schachtsystem mit dem Stempel etwa 80 cm in den Boden eingelassen. Der Stempel hebt sich dank eines kleinen Motors. Er verbindet sich nun magnetisch mit der Schnittstelle an der Unterseite des Fahrzeugs und der Strom fließt.

Normativ abgesicherter Entwicklungsprozess

Mithilfe dieser Technologie lässt sich das Ladetempo zukünftig nahezu verzehnfachen. Bei einem Pkw werden bis zu ein und beim Laden eines Lkw bis zu zwei Megawatt Ladeleistung übertragen. Bei einem Elektroauto reichen deshalb nun fünf Minuten Zeit für 600 Kilometer Reichweite. »An der Tankstelle werden zehn bis zwanzig Ladevorgänge pro Stunde möglich«, rechnet Steinert vor. Und weil das System den Ladevorgang automatisch einleiten kann, könnten Betreibende künftig eine Art Drive-in-Tanken anbieten. Das Aussteigen und Einstecken des Ladekabels jedenfalls gehört fortan der Vergangenheit an. 

Ein vergleichbares System mit geringerer Ladeleistung ist auch in nahezu jeder heimischen Garage denkbar. Die Lösung für Pkw und Lkw ist kostengünstig und unkompliziert.

Eine Herausforderung beim Umgang mit hohen Systemleistungen ist der hohe Ladestrom von bis zu 2.000 Ampere. Berührschutz, das Vermeiden von Lichtbögen und ungewollten Erwärmungen müssen also ebenso gewährleistet sein wie die Absicherung des Ladeablaufs. Die Entwickler*innen des neuartigen Unterbodenladesystems haben deshalb von Anfang an auf entsprechende europäische und internationale Sicherheits- und Ausführungsnormen gesetzt und arbeiten in jedem ihrer Arbeitsschritte so, dass sie sich entlang der Normen für einen sauberen und abgesicherten Entwicklungsprozess bewegen.

Praxiseinsätze

Bei Praxistests stehen für die Forscher*innen derzeit vor allem elektrisch betriebene Lkw im Vordergrund. Mit der Schunk GmbH, einem Unternehmen für Stromübertragungssysteme, werden Fahrzeuge bereits umgebaut und sind auf den Straßen Deutschlands unterwegs. »Bei Pkw-Herstellern laufen derzeit eine Vielzahl an Gesprächen«, sagt Steinert. Insbesondere hier gibt es allerdings noch eine Hürde, die das Fraunhofer IVI und seine Partner*innen überwinden müssen: Die verwendeten Fahrzeugakkus müssen die hohe Ladeleistung verarbeiten können, ohne Schaden zu nehmen. Aber selbst das, so Steinert, sollte schon in naher Zukunft möglich sein: »Die Entwicklung ist hier rasant. Schon in fünf oder zehn Jahren werden die Akkus deutlich leistungsfähiger sein – nicht nur im Bereich der Energiedichte, sondern auch bei der Geschwindigkeit, mit der sie geladen werden können.«

(aku)

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