Forskare har vidareutvecklat en induktionsteknik som gör det möjligt att effektivt ladda batterier trådlöst – utan hjälp av en människa eller en robotarm. Tekniken öppnar för smidigare laddning av eldrivna färjor och stora fordon.
En ny typ av halvledare baserad på kiselkarbid – och en koppartråd som är tunn som ett hårstrå. Det är ett par faktorer som plötsligt gjort det mer realistiskt att överföra stora mängder el genom luften, visar forskning vid Chalmers tekniska högskola.
På senare år har mobiltelefoner och andra bärbara elektronikprylar plockat upp tekniken. Men för de stora effekter som krävs för att ladda batterierna i ett elfordon har det sladdlösa alternativet hittills framstått som alltför krångligt och ineffektivt.
Laddning med induktion
Nu verkar dock laddning med hjälp av induktion stå inför ett genombrott även när det gäller batterifordon – framför allt när laddning behöver ske ofta och där miljön är krävande, som till exempel för en eldriven cityfärja.
Det skulle innebära att elfärjor i turtät trafik över vattendrag i städer som Göteborg och Stockholm, inte behöver ta hjälp av en person eller robotarm för att ladda batterierna. Samma gäller för stadsbussar eller förarlösa elfordon som används i industri, gruvverksamhet och jordbruk.
Yujing Liu, professor i elkraft vid institutionen för elektroteknik på Chalmers, är särskilt inriktad på förnybar energiomvandling och elektrifiering av transportsystemet.
– Man kan ha ett system inbyggt i kajen som laddar färjan samtidigt som passagerarna går av och på. Automatiskt och helt oberoende av väder och vind kan laddning ske 30–40 gånger per dygn. Detta är nog den tillämpning som är mest uppenbar, säger Yujing Liu och fortsätter:
– Även för framtidens eldrivna långtradare finns kanske en potential. Då är motivet snarare att dessa kommer att behöva laddas med så höga effekter att en laddkabel blir väldigt tjock och tung och därmed svårhanterlig.
Snabb utveckling av material
Enligt Yujing Liu är det den snabba utvecklingen av en handfull komponenter och material under de allra senaste åren som öppnat nya möjligheter.
– En nyckelfaktor är att vi nu har tillgång till högeffektiva halvledare baserade på kiselkarbid, så kallade SiC-komponenter. Som kraftelektroniska produkter har dessa bara funnits på marknaden i några få år. De gör att vi kan använda högre spänning, högre temperatur och mycket högre switchningsfrekvens*, jämfört med klassiska, kiselbaserade komponenter, säger han.
Tidigare system för trådlös fordonsladdning har använt frekvenser på omkring 20 kilohertz, ungefär som en vanlig spishäll. De blev skrymmande och energiöverföringen var inte särskilt effektiv.
– Nu arbetar vi med frekvenser som fyra gånger högre. Då blir induktion plötsligt attraktivt, förklarar Yujing Liu.
Flätade koppartrådar anpassade för hög effekt
Ett annat färskt tekniksprång gäller koppartrådarna i de spolar som skickar ut och tar emot det svängande magnetfält som utgör själva bron för energiflödet över luftgapet. Även här är målet att utnyttja så hög frekvens som möjligt.
– Då fungerar det inte med spolar lindade med vanlig koppartråd, det skulle leda till väldigt stora förluster vid hög frekvens, säger Yujing Liu.
I stället utgörs nu spolen av flätade ”kopparrep”, bestående av upp till 10 000 kopparfibrer, som är mellan 70 och 100 mikrometer tjocka. Ungefär som ett hårstrå. Sådana flätor av så kallad litztråd, som är anpassade för höga effekter och frekvenser, har också bara funnits kommersiellt tillgängliga de allra senaste åren.
Ny typ av kondensatorer
Ett tredje exempel är en ny typ av kondensatorer som används för att tillföra den effekt som är en förutsättning för att spolen ska kunna bygga upp ett tillräckligt kraftfullt magnetfält. Magnetfältet är dock fortfarande mycket svagt, även mellan laddningsplattorna, och tappar dramatiskt i styrka med ökat avstånd.
Det innebär att cirka en halvmeter från en laddplatta är magnetfältet så svagt att det klarar de internationella gränsvärden som finns för exponering av elektromagnetisk strålning.
Fakta om induktionsladdning
Laddning med hjälp av induktion innebär att energi kan överföras ett kort stycke, exempelvis genom luften, vatten, eller andra icke-metallmaterial, utan någon kontakt eller ledare.
Principen är densamma som används i de induktionshällar som finns i många kök. En högfrekvent växelström genom en spole alstrar ett oscillerande magnetfält. Men till skillnad från matlagning, där ju värmeutveckling är själva poängen, innebär induktiv laddning att en andra spole ombord i fordonet fångar upp energin i magnetfältet och omvandlar den till växelström igen – som efter likriktning kan ladda upp batterierna.
Den värme som alstras i processen innebär att en del av energin som ska överföras går förlorad. Att så långt som möjligt minimera uppvärmning är därför ett viktigt mål för teknikutvecklingen.
Laddning ger energiförluster
Yujing Liu lyfter fram att laddning av elfordon innehåller ett flertal omvandlingssteg – mellan likström och växelström samt mellan olika spänningsnivåer.
– Så när vi säger att vi uppnått en verkningsgrad på 98 procent från likström i laddstationen till batteriet, så betyder den siffran kanske inte så mycket om man inte väldigt noggrant definierar vad som mäts, säger han och fortsätter:
– Men man kan också uttrycka det så här: Det uppstår förluster vare sig man använder vanlig, konduktiv laddning via en kabel eller laddar med hjälp av induktion. Den verkningsgrad vi nu har uppnått innebär att förlusterna vid induktiv laddning kan vara näst intill lika låga som vid konduktiv laddning. Skillnaden är så liten att den i praktiken blir försumbar, det handlar om en eller två procent.
Forskningen väcker uppmärksamhet
Resultaten som Yujing Liu och hans forskargrupp publicerat har väckt en hel del uppmärksamhet.
– Vi är nog bland de bästa i världen vad gäller verkningsgrad i den här effektklassen, mellan 150 och 500 kilowatt.
Men Yujing Liu tror inte att induktionsladdning på sikt kommer slå ut laddning med sladd för mindre elbilar.
– Jag kör själv en elbil och ser inte att jag i framtiden skulle ha någon användning av induktionsladdning. Jag kör hem, pluggar in… det är inga problem.
Kontakt:
Yujing Liu, professor i elkraft vid institutionen för elektroteknik, Chalmers, yujing.liu@chalmers.se
