Tekniken som kan ladda färjor och tunga fordon trådlöst

Forskare på Chalmers har vidareutvecklat en induktionsteknik som gör det möjligt att effektivt ladda batterier trådlöst – utan hjälp av en människa eller en robotarm. Tekniken kan vara lämplig för till exempel elfärjor och är dessutom så pass färdig att den snart kan presenteras för industrin. 

En ny typ av halvledare baserad på kiselkarbid. Och en nyutvecklad koppartråd, tunn som ett mänskligt hårstrå. Detta är ett par faktorer som plötsligt gjort det mer realistiskt att överföra stora effekter genom luften.

Eltandborstar har gjort det i decennier. 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.
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 för en eldriven cityfärja exempelvis.

Systemet kan byggas in i kajen

Det skulle innebära att elfärjor i turtät trafik över vattendrag i städer, till exempel i 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.

– 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.

Nya material öppnar möjligheter 

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, berättar han.

– Tidigare system för trådlös fordonsladdning har använt frekvenser på omkring 20 kHz, 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.

Ett annat färskt tekniksprång gäller koppartrådarna i de spolar som skickar ut respektive 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, betonar Yujing Liu.

I stället utgörs nu spolen av flätade ”kopparrep”, bestående av upp till 10 000 kopparfibrer, som vart och ett bara är mellan 70 och 100 mikrometer tjocka. Ungefär som ett hårstrå. Sådana flätor, av så kallad litztråd, anpassade för höga effekter och frekvenser, har också bara funnits kommersiellt tillgängliga de allra senaste åren.

Ett tredje exempel som Yujing Liu lyfter fram 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. Dock är magnetfältet 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.

Yujing Liu betonar 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, resonerar han.

– 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.

Siffror väcker uppmärksamhet

Han tillägger att resultaten som hans forskargrupp publicerat väckt en hel del uppmärksamhet.

– Vi är nog bland de bästa i världen vad gäller verkningsgrad i den här effektklassen, mellan 150 och 500 kW.

Läs hela nyheten på chalmers.se

* switchningsfrekvens är med vilken hastighet energi kan överföras mellan sändare och mottagare.

För mer information, kontakta:

Yujing Liu, professor i elkraft vid institutionen för elektroteknik, Chalmers
yujing.liu@chalmers.se, 031 772 16 60

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, så 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.