Trådlös laddning
Visualisering av det induktiva systemet för effektöverföring under drift: svarta områden — spollindningar av Litz-tråd; långa rätblocksformade områden — ferritblock med färg som visar storleken av den magnetiska flödestätheten; gråa plattor — kopparplattor för passiv skärmning med inducerade virvelströmmar; gröna kurvor med varierande tjocklek — magnetisk flödeslinjer där tjockleken svarar mot storleken på flödestätheten.
​Illustration: Johan Winges/ Thomas Rylander

Prototypen som laddar bussen trådlöst

Är det möjligt att ladda elektriska bussar genom luften, utan fysisk kontakt med fordonet? En prototyp för trådlös laddning av stadsbussar håller på att tas fram av forskare på Chalmers. Den första testomgången är lovande.
​Flera olika prototyper för trådlös laddning håller på att byggas upp och testas i laboratoriet på avdelningen Elkraftteknik.

Yujing LiuI det här projektet fokuserar forskarna i första hand på elektriska bussar i städer, eftersom de trafikerar rutter med förbestämda hållplatser där det finns goda möjligheter att ladda fordonen. Genom att ladda ofta kan storleken på batterierna minskas betydligt, vilket i sin tur håller nere såväl vikten som kostnaderna för bussen. Kortare tid mellan laddningstillfällena kan också motverka att batterier laddas ur för mycket, vilket förlänger deras livslängd.

– Den första testomgången för vår 50 kW-modul är avslutad i laboratoriet och resultaten är lovande så här långt, säger Yujing Liu, professor på institutionen för elektroteknik. Resultaten visar en verkningsgrad på omkring 95 procent för kraftöverföringen från likström till likström tvärs över ett luftgap på 20 centimeter vid den önskade effektnivån, och det är riktigt bra.

Laddar bussen från marken
Den trådlösa laddningen, eller den induktiva kraftöverföringen som forskarna säger, sker från en laddningsenhet i marken vid busshållplatsen över till en liknande enhet som är integrerad i elbussens underrede.

Laddningsenheten i marken innehåller en spole som skapar ett magnetfält. Magnetfältet inducerar i sin tur en spänning i en liknande spole som är inbyggd i fordonet, och denna inducerade spänning ger en elektrisk ström som laddar batterierna i elbussen.

Thomas Rylander– Den här delen av systemet består huvudsakligen av en konventionell transformator, men i motsats till en vanlig transformator är primär- och sekundärspolarna åtskilda genom ett relativt stort luftgap. Det stora mellanrummet gör den magnetiska kopplingen ganska svag, men det kompenseras genom att spolarna förses med kondensatorer så att vi får resonanskretsar på både primär- och sekundärsida, säger Thomas Rylander, biträdande professor vid institutionen för elektroteknik.

För att ladda batterierna i en buss krävs omkring 200 kW, vilket är möjligt om man parallellkopplar flera laddningsmoduler.

Att snabbladda stadsbussar på hållplatserna kan minska storleken på batterierna i bussen, kanske med så mycket som 70 procent. Cirka 30 sekunders laddningstid på varannan busshållplats skulle vara tillräckligt för att hålla batterierna på en tillräcklig laddningsnivå – ungefär den tid det tar för passagerare att kliva av och på bussen.

Metoden som forskarna arbetar med innebär alltså en annan laddningsteknik än den som används för den välkända Electricity-bussen som trafikerar linje 55 i Göteborg. Buss 55 laddas vid ändhållplatserna genom fysiska kontaktdon på taket.

Högre verkningsgrad och minskad batteristorlek
– De två största utmaningarna som begränsar hur induktiv kraftöverföring kan användas i elfordon är verkningsgraden för kraftöverföringen och utrustningens storlek, säger Yujing Liu. Utvecklingen inom kraftelektronikområdet med snabbomkopplare och högfrekvent elektromagnetisk utrustning ger nya möjligheter. Vi vill undersöka fördelarna med att använda den här typen av ny teknik och högkvalitativa material för att minska förluster och hålla nere storleken på utrustningen.

Genom att använda hög elektrisk frekvens går det att reducera den magnetiska energin och därmed magnetfälten som omgivningen utsätts för, vilket är viktigt i stadsbussar och på andra allmänna platser.










Bilderna visar den första prototypen för kraftelektroniken (till vänster) och primärsidans transformator (till höger) som används för induktiv kraftöverföring. Illustrationer: Felix Mannerhagen

– Den här experimentella prototypen för induktiv kraftöverföring är byggd med vad som kan betraktas som bästa tänkbara teknik idag. Den kommer att fungera som plattform för flera kommande forskningsprojekt, säger Thomas Rylander. Arbetet är tvärvetenskapligt och såväl experimentellt som teoretiskt. Projektet har såddfinansierats av institutionen för elektroteknik och det har inneburit ett helt nytt och mycket spännande samarbete för oss.

Fakta om projektet
Mål: Att ta fram en prototyp för trådlös laddning av elfordon, byggd med bästa tänkbara teknik, som kan fungera som en plattform för framtida forskningsprojekt inom området
Långsiktigt syfte: Att bidra till hållbara, konkurrenskraftiga och effektiva trafiklösningar
Deltagare: Thomas Rylander, Yujing Liu, Tomas McKelvey, Torbjörn Thiringer, Felix Mannerhagen, Daniel Pehrman, Johan Winges
Detta såddprojekt är baserat på avhandlingen "Multi-Objective Optimization of Inductive Power Transfer Systems for EV Charging” av Roman Bosshard, 2015.​

Text: Yvonne Jonsson
Foto: Oscar Mattsson

För mer information, kontakta
Thomas Rylander, biträdande professor, institutionen för elektroteknik, Chalmers
rylander@chalmers.se

Yujing Liu, professor, institutionen för elektroteknik, Chalmers
yujing.liu@chalmers.se

Publicerad: on 16 maj 2018. Ändrad: on 23 maj 2018