Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

Induktive Energieübertragung

Am Fraunhofer IISB sind wir Vorreiter für Forschung und Entwicklung im Bereich der induktiven Energieübertragungssysteme (IPT). Induktive Energieübertragung ermöglicht eine vollständig kontakt­lose, also verschleiß- und lichtbogenfreie Energieübertragung und bietet damit höchste Betriebssicherheit, gerade in staubigen, feuchten oder rotierenden Anwendungen, in denen konduktives Laden frühzeitig versagt.

Die Technologie schafft Mehrwert in zahlreichen Einsatzfeldern, zum Beispiel:

  • Induktiv dynamisch gespeiste Elektrofahrzeuge (PKW, Vans bis hin zu Schwerlast) mit reduziertem Batterievolumen/-gewicht bei bereits heute realisierbaren Übertragungsleistungen von bis zu 300 kW in der Bewegung. Zur Einordnung: Damit LKWs dauerhaft ohne zusätzliche Ladestopps mit 80 km/h in der Ebene fahren können, sind ca. 100 kW notwendig.
  • Induktives stationäres Laden von Elektrofahrzeugen mit Leistungsklassen gemäß SAE J2954 von WPT1 3,6 kW, WPT2 7,2 kW, WPT3 11 kW und WPT4 22 kW. Höhere Leistungsklassen für stationäre Systeme bis in den MW-Bereich sind technisch möglich und Inhalt der fortlaufenden Standardisierung.
  • Kundenspezifische Hilfsstromversorgungen (z. B. 48 V auf 48 V oder 24 V auf 24 V) für Anwendungen mit sehr hohen Isolationsanforderungen
  • Berührungslose Steckverbinder für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen
  • Energieversorgung bewegter oder rotierender elektrischer Lasten

Unsere Mission am Fraunhofer IISB

Wir sind die unabhängige europäische Forschungsinstanz zur Entwicklung und Bewertung von Technologien zur kontaktlosen Energieübertragung und damit Impulsgeber für neue Wertschöpfung.

Wir entwickeln und realisieren dabei komplette stationäre und dynamische IPT-Systeme – von der FEM-Simulation des induktiven Übertragungssystems zur Analyse, Simulation und Auslegung der benötigten Leistungselektronik. Das beinhaltet die mechanische Integration bis zur Umsetzung und Prüfung voll funktionsfähiger Demonstratoren. Darüber hinaus entwickeln wir Prozess- und Prüftechnologien für IPT-Systeme.

Fragen und Antworten zu induktivem Laden

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  • Beim kabellosen Laden sind Spulen (Sendeeinheiten) in Straßen oder Parkflächen eingebaut. Über ein Magnetfeld übertragen sie induktiv elektrische Energie an eine Empfängerspule am Fahrzeugunterboden. So können Pkw, Busse, Lieferwagen und Lkw im Stand oder – auf entsprechend ausgerüsteten Strecken – auch während der Fahrt laden. Da kein physisches Anschließen nötig ist, kann die Technik auf unterschiedlichsten Flächen installiert werden – etwa auf Straßen, Parkplätzen, in Depots oder an Haltestellen. Fahrzeuge können dadurch „nebenbei“ laden, was lange Standzeiten an klassischen Ladesäulen reduziert und den Bedarf an sehr großen Batterien verringert.

    Ein ähnliches Prinzip nutzt das induktive Laden von Smartphones. Auch in vielen Küchen mit Induktionsherden wird das Prinzip angewendet. Dort wird die Wärme per Magnetfeld in den Boden des Kochtopfs übertragen.

  • Kabellose Systeme sind flexibel, unauffällig, wartungsarm und eignen sich auch für autonome Fahrzeuge, da kein manuelles Ein- und Ausstecken notwendig ist. Zudem können sie als gemeinsame Ladeplattform für ganze Fahrzeug-Flotten dienen.

    Bei konduktiv geladenen Fahrzeugen können die Kontakte verschleißen oder verunreinigen. Diese Probleme treten bei induktiven Ladesystemen nicht auf. Das Fahrzeug muss zudem nicht eingesteckt werden. Dies hat vor allem bei autonomen Systemen einen großen Vorteil. Ein Fahrzeug kann selbstständig zu seinem Parkplatz fahren und dort Laden. Es ist kein Stecker notwendig.

    Das kabellose Laden während der Fahrt hat weitere Vorteile: Es senkt durch die mögliche Reduktion der Batteriegrößen die Abhängigkeit von kritischen Batterierohstoffen. Außerdem werden die Fahrzeuge nicht an Raststellen und Knotenpunkten mit hoher Leistung geladen, sondern sie beziehen eine moderate Leistung. Dies stabilisiert das Netz und hebt die Gesamteffizienz des Systems. Ein Effizienzvorteil gegenüber herkömmlichen E-Fahrzeugen liegt darin begründet, dass Batterieverluste ausgeklammert werden können und die übertragene Leistung direkt in den Motor eingespeist werden kann. 

  • Induktiv: Energieübertragung ohne Kabel über ein Magnetfeld. Für diese Art der Energieübertragung sind eine Sende- und eine Empfängerspule notwendig. Beispiele sind kabelloses Laden von Smartphones oder elektrische Zahnbürsten.

    Konduktiv: Direkte Verbindung über Stecker, Schienen oder Stromabnehmer. Diese Technik erfordert einen physischen Anschluss am Fahrzeug.

  • Nein. Die Spulen sind nur exakt zu dem Zeitpunkt eingeschaltet, zu dem ein induktiv-geladenes Fahrzeug darüberfährt. Zu allen anderen Zeiten sind die Spulen aus. 

  • Gemäß SAE J2954  sind im Straßenverkehr zur induktiven Energieübertragung 85kHz vorgesehen. 

  • Ja, es gibt bereits erste Pilotprojekte in verschiedenen Ländern wie Schweden, USA, Frankreich und Deutschland. Auf Autobahnen gibt es in Frankreich eine Teststrecke auf der Autorouté A10 südlich von Paris und in Deutschland auf der Autobahn A6 bei Amberg (Bayern). 

  • Äußerlich kaum: Die Induktionsspulen liegen unsichtbar einige Zentimeter unter der Asphaltdecke. Lediglich unauffällige Schaltschränke (sogenannte Management Units) am Straßenrand sorgen für die Ansteuerung der Spulen. Auf der Autobahn in Frankreich sind diese Management Units unterirdisch verbaut und damit auch nicht sichtbar. Wer die Straße befährt, merkt damit keinen Unterschied.

  • Die Energieversorgung ist segmentiert. Die Steuerkästen (Management Units) stehen in Abständen von 100 Metern. Daraus ergibt sich pro Abschnitt eine maximale Leitungslänge von rund 50 Metern (zwischen Steuerkasten und Spule).

  • Das System hält die Grenzwerte der Bundesnetzagentur ein und erfüllt zusätzlich die strengeren Vorgaben der Produktnorm IEC 61980 für induktives Laden. Diese Limits sind auch im dynamischen Betrieb einzuhalten. 

  • Nein, das System auf der Teststrecke ist nur aktiv, wenn ein entsprechend ausgerüstetes Fahrzeug direkt über den Ladespulen fährt. Die höchsten Feldstärken entstehen in unmittelbarer Nähe eines aktiv ladenden Fahrzeugs.

    Die relevanten Grenzwerte sind:

    • ICNIRP 2010 (EU): 27 µT
    • ANSI IEEE (US - mit Fokus auf Implantatsicherheit): 1,63 mT (= 1.630 µT) 

  • Das System ist weitgehend geräuschlos. Lediglich im Betrieb kann in den Schaltschränken ein leises Summen auftreten, ähnlich wie bei einem Kühlschrank.

  • Ja. Selbst bei Fahrten über 120 km/h ist eine stabile Ladeleistung möglich. Es ist allerdings zu beachten, dass die übertragene Energiemenge mit der Fahrzeit auf dem Ladeabschnitt zusammenhängt. 

  • Ja, das System ist mit beiden Bauweisen grundsätzlich möglich.

  • Ja. Sie kann nahezu unsichtbar in belebten Bereichen wie Busbahnhöfen, Taxispuren oder Parkplätzen installiert werden und ermöglicht Laden auch bei kurzen Stopps.

  • Ja. Weder Schnee noch Eis beeinträchtigen die induktive Energieübertragung. Das System kann grundsätzlich auch in Tunneln oder auf Brücken eingesetzt werden. Aus Gründen der Kosten- und Systemoptimierung werden die Spulen jedoch in der Regel nicht durchgängig in Tunnel- oder Brückenbereichen installiert. Dies ist möglich, da eine flächendeckende 100%-Abdeckung einer Strecke nicht erforderlich ist: Fahrzeuge führen weiterhin Batterien mit, die nicht ausgerüstete Streckenabschnitte problemlos überbrücken.

  • Ja, allerdings bisher nur in Pilotprojekten und Testanlagen.

  • Das Eichverfahren und die Abrechnung sind noch nicht final entwickelt. Es gibt aber laufende Förderprojekte (ohne IISB-Beteiligung), die sich mit der Thematik auseinandersetzen.

  • Nur autorisierte Fahrzeuge, die von einem kontaklosen Ladesystem erkannt werden, können Energie aufnehmen.

Beispielprojekte

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StruFuFako
Induktives Laden
Induktives Kugellager
Induktiver Stecker
Wireless Office
HF-Generator für induktives Erwärmen

StruFuFako – Leichtbau-Unterboden mit integrierter induktiver Ladefunktion

Forschungsprojekt StruFuFako – Strukturelle, funktionsintegrierte Fahrzeugkomponenten auf Basis faserverstärkter Thermoplaste

Integration einer induktiven Empfangsspule in ein Leichtbauteil für ein kompaktes selbstfahrendes Fahrzeug, um die urbane Mobilität der nächsten Generation vorabzutreiben.

StruFuFako ist ein öffentlich gefördertes F&E-Projekt zur Entwicklung eines gewichtsoptimierten Unterbodenmoduls für batterieelektrische Fahrzeuge. Das Bauteil vereint faserverstärkte Thermoplaststrukturen mit einer 3,6 kW Induktionsladespule und einem intelligenten Thermomanagement – mit dem Ziel, alles in einem einzigen Prozessschritt zu fertigen. Die vollständig integrierte Lösung soll die Gesamtfahrzeugmasse reduzieren, die Bauteilanzahl und den Produktionsaufwand senken sowie in künftigen kompakten, leichten, autonomen Personentransportfahrzeugen im innerstädtischen Bereich eine drahtlose Leistung von 3,6 kW bei 96 % Systemeffizienz ermöglichen.

Projektziele für das Fraunhofer IISB

  • Auslegung von Fahrzeug- und Bodenspulen, Resonanzkreisen und Leistungselektronik
  • Optimierung der magnetischen Kopplung, Gesamtwirkungsgrad und EMV bei variierenden Luftspalten und Versatz des Spulensystems
  • Entwicklung eines mechanisch und thermisch robusten Spulenträgers zur direkten Einbettung in die Verbundstruktur
  • Laboraufbau, Montage und Validierung des induktiven Ladesystems

Herausforderungen

  • Sicherstellung der hohen magnetischen Kopplung und EMV-Konformität trotz variabler Luftspalte, Versatz des Spulensystems und variierender Bodenfreiheit 
  • Einbettung der Spulen und Ferrite in den Verbundwerkstoff, ohne die Crash-Sicherheit oder die Recyclingfähigkeit zu beeinträchtigen
  • Abführung der entstehenden Wärme in einem abgedichteten, dünnen Unterbodenmodul, unter Einfluss von Straßenschmutz, Wasser und Temperaturzyklen
  • Realisierung automobilgerechter Zykluszeiten und einer robusten Verbindung von Metall, Verbundwerkstoffen und Elektronikbauteilen in einem einzigen Prozessschritt

Projektpartner

Gemeinschaftliches Forschungsprojekt in Kooperation mit

  • Centrotherm Systemtechnik GmbH (Koordinator)
  • ElringKlinger AG
  • LIA GmbH
  • HK-Präzisionstechnik GmbH
  • Fraunhofer ICT

Induktives Laden für die Elektromobilität

Induktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge ermöglichen komplett autonome Ladevorgänge und zukünftige selbstfahrende Mobilitätskonzepte

Unser induktives Ladesystem nutzt kleine Luftspalten zwischen Sendeeinheit und Fahrzeugspule und ermöglicht so Skalierbarkeit, sehr geringen Materialeinsatz, hohe Effizienz und minimale Streufelder.

 

Download Produktblatt (PDF):

Nicht nur die Erhöhung der elektrischen Fahrreichweite, sondern auch die Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit ist ein entscheidender Punkt für den Erfolg von Batterie-Elektro- & Hybrid-Elektrofahrzeuge. Angesichts der ergonomischen und praktischen Aspekte des Ladevorgangs ist die drahtlose Aufladung ein konsekutiver Schritt für die Entwicklung der Ladeinfrastruktur. Wir haben ein induktives Ladesystem für Batterie-Elektrofahrzeuge entwickelt, welches einen autonomen Ladevorgang ohne jegliche Benutzerinteraktion ermöglicht. Dieser Ansatz führt zu einer enormen Verbesserung des Bedienkomforts und erleichtert die notwendige Technik für ein ubiquitäres Ladekonzept.

Ziele

  • Design eines positionstoleranten kabellosen Ladesystems
  • Übertragungsleistung von 3,7 kW (skalierbar bis 11 kW)
  • Laden ohne Benutzereingriff ("autonomes" elektrisches Fahren)
  • Drahtlose Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite

Herausforderungen

  • Auswahl einer geeigneten Spulengeometrie und Anordnung
  • Optimierung der Kopplungsspulen zur Verringerung der Systemverluste
  • Sicherer und effizienter Betrieb des Ladesystems

Ergebnisse

  • extrem kompakte Fahrzeugseitenspulen (Durchmesser einer CD)
  • 94% Systemwirkungsgrad bis zur Batterie
  • Integration eines niedrigen und robusten Informationsübertragungskanals (max.3,5 kW)

Projektpartner

Forschungsprojekt in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente und weiteren Lehrstühlen der FAU Erlangen-Nürnberg.

Induktives Kugellager

Induktive Energieübertragung auf kleine, sich bewegende Komponenten – kontaktlos & verschleißfrei

Unser kontaktloses induktives Energie- und Datenübertragungssystem liefert bis zu 20 W an ein rotierendes Kugellager und bietet eine skalierbare, verschleißfreie sowie umgebungsresistente Alternative zu kabelgebundenen Lösungen für schnell bewegte Bauteile.

 

Download Produktblatt (PDF):

Die Fähigkeit, Energie in kleinen, bewegten Systemen zu übertragen, ist für zahlreiche Anwendungen erforderlich – etwa Windkraftanlagen mit integrierter Elektronik in den Rotorblättern oder hochautomatisierte Industrie-4.0-Produktionsplattformen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Technologie zur kompletten kontakt- und verschleißfreien Übertragung von Energie und Daten in kleinen, bewegten Komponenten unter rauen Umweltbedingungen.

Die IPT-Technologie ermöglicht es (fremderregten) Synchronmaschinen, ihren Rotorerregerstrom völlig bürsten- und kontaktlos zu beziehen, sodass statt Permanentmagneten gewickelte Feldwicklungen eingesetzt werden können. Durch den Wegfall der Rotormagnete sinkt die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen (seltene Erden), während Bauteilkosten und Lieferkettenrisiken reduziert werden. Gleichzeitig erlaubt die drahtlose Erregung eine präzise, dynamische Steuerung von Leistungsfaktor und Maschinenleistung – ganz ohne verschleißanfällige Bürsten oder Schleifringe.

Ziele

  • Realisierung einer induktiven Energieübertragung für schnell bewegte Komponenten
  • Übertragungsleistungen bis zu 20 W
  • Drahtlose Kommunikation von Informationen sowie höhere Datenraten zur Übertragung von Sensor- und Aktorinformationen

Herausforderungen

  • Außerordentlich hoher Integrationsgrad der Koppelspulen
  • Realisierung eines rotierenden Transformators mit Metallteilen in der näheren Umgebung
  • Hohe mechanische Anforderungen

Ergebnisse

  • Nachweis der Funktion in einer rotierenden Anwendung (Kugellager mit Welle)
  • Praktische Robustheitsuntersuchungen & Simulationen elektronischer Baugruppen über den normative abgedeckten Messbereich hinaus
  • Nahfeldübertragung bei hohen Frequenzen inklusiv alternativer kapazitiver Übertragungssysteme mit differentiellem Richtkoppler
  • Höherwertige digitale Modulationen und thermoelektrische Optimierung der Frequenzweiche

Projektpartner

Induktiver Stecker

Die induktive Energieübertragung ermöglicht eine kontaktlose Übertragung von Energie in schnell bewegte Komponenten. Robuste induktive Stecker  könnten in der Fertigung von Lebensmittelbetrieben oder der chemischen Industrie eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten sie auch die einfachere und sichere Elektrifizierung von Bau- und Landmaschinen ermöglichen, die für den Betrieb von elektrischen Anbaugeräten eine entsprechend robuste Steckerlösung benötigen.

Ziele

  • Realisierung einer induktiven Steckverbindungen besondere Umgebungsbedingungen
  • Übertragungsleistung bis zu 1000 W
  • einfache Handhabung
  • hohe Robustheit
  • Höchste Effizienz

Herausforderungen

  • Aufgrund der Forderung nach hoher Kompaktheit kann nur wenig Verlustleistung abgeführt werden (hohe Effizienz nötig)
  • Integration in sehr kleinen Bauraum

Ergebnisse

  • Nachweis der Funktionsfähigkeit
  • Anwendungsübergreifender Systementwurf von Magnetik und Leistungselektronik mit Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Simulationsverfahren
  • Praktische Robustheitsuntersuchungen & Simulationen elektronischer Baugruppen über den normative abgedeckten Messbereich hinaus

Projektpartner

Wireless Office

Eine Batterie und eine Empfangs-/Sendeeinheit für die induktive Energieübertragung sind in den Rollenbehälter integriert. Der Batteriespeicher des Rollbehälters wird an der Steckdose oder optional induktiv aufgeladen.

 

Download Produktblatt (PDF):

Ziele

  • Schreibtische der nächsten Generation, arbeiten ohne sichtbare Verbindungen - „Clean Desk“
  • Höhere Flexibilität des Arbeitsplatzes

Herausforderungen

  • Induktive Energieübertragung mit mittlerer Leistung (>100 W) im Bereich der Schutzkleinspannung führt zu hohen Strömen
  • Bereitstellung einer stabilisierten Spannung für das Gleichspannungsnetz des Schreibtischs

Ergebnisse

  • Sehr kompaktes induktives Energieübertragungssystem (150 mm x 150 mm x 40 mm)
  • Darstellbare Luftspalte bis 20 mm
  • Übertragbare Leistung P < 150 W

Projektpartner

BACHMANN GmbH

HF-Generator für induktives Erwärmen

In diesem Projekt wurde die Leistungsfähigkeit und Robustheit eines CoolMOS™-Transistors in hochfrequent getakteten Brücken am Beispiel eines HF-Generators zur induktiven Erwärmung gezeigt.

 

© Fraunhofer IISB

Ziele

Entwicklung eines HF-Generators mit sehr hohem Wirkungsgrad für induktive Erwärmung.

Herausforderungen

  • Ausgangsleistung ca. 1 kW
  • Arbeitsfrequenz 100...500 kHz
  • SMD-Leistungstransistoren
  • Eingangsspannung 230 Vac
  • Absolute Betriebssicherheit unter allen Lastbedingungen 

Ergebnisse

Für die Erzeugung einer HF-Leistung von 1 kW im Frequenz­bereich bis 500 kHz wurde der Generator als  resonanter Halbbrücken­wandler realisiert.
Jeder der beiden Halbbrückenschalter besteht aus zwei parallel geschalteten CoolMOS-Transistoren vom Typ SPB20N60C2 (190 mOhm, 600 V). Damit erreicht der Generator einen Wirkungsgrad von über 97%. Aufgrund der geringen Verlustleistung konnten die Leistungstransistoren in SMD-Technik montiert und durch die Leiterplatte entwärmt werden.

Ein spezielles Ansteuerverfahren stellt eine resonante Kommutierung unter allen – auch transienten – Betriebs­bedingungen sicher.

 

Projektpartner

Infineon AG

Publikationen


Brochures

 

Flyer & Broschüren