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Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik


Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

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Forschungsförderprojekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft

(DFG CL143/14-1)

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Bidirektionale elektrische Energieübertragung durch induktive Ladestationen: Grundlagen zu Entwurfsstrategien, simulationsgestützten Schirmoptimierungen und elektromagnetischen Umweltverträglichkeitsuntersuchungen

 

Projektnehmer:

Clemens, Markus, Prof. Dr. rer. nat. - Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik

Schmuelling, Benedikt, Prof. Dr.-Ing. - Arbeitsgebiet Elektromobilität

 

Laufzeit:

2017 - 2019

 

Mitarbeiter:

Dr. rer. nat. Norman Haußmann

Martin Zang, M.Sc.

 

Pressemitteilung

 

Projektbeschreibung:

Induktive Ladesysteme zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen in Elektromobilen sollen den Ladeprozess von Fahrzeugen vereinfachen und beschleunigen und werden derzeit bereits im Prototypenstadium erprobt. Dies berücksichtigt aber derzeit keine weitergehenden Konzepte, in denen Elektrofahrzeuge und hybridelektromobile Fahrzeuge auch als Energiespeicher für das angeschlossene Energienetz fungieren sollen, da technische Lösungen für die dazu notwendige bidirektionale induktive Ladetechnik noch nicht in ausreichendem Maße vorliegen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung ingenieurwissenschaftlicher Grundlagen zu bidirektionalen induktiven Ladestationen unter Berücksichtigung ihrer zukünftigen Verwendbarkeit und technischen Leistungsfähigkeit. Diese Forschungsarbeiten umfassen auch simulationsgestützte Vorabuntersuchungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bzgl. der elektronischen Systeme bzw. der Umweltverträglichkeit (EMVU) für Personen innerhalb und in der unmittelbaren Nähe des Fahrzeuges. Diese Eigenschaften hängen von der Wirksamkeit der Magnetfelddämpfung durch Schirmungssysteme ab, die zur Einhaltung existierender Grenzwerte betrachtet werden müssen. Besondere technische Schwierigkeiten in diesen mit den bidirektionalen Übertragungssystemen entstehen hierbei durch die Kombination von hohen Leistungsflussdichten der magnetischen Wechselfelder mit geringen elektrischen Leitfähigkeiten von Leichtbauwerkstoffen in den Fahrzeugkarosserien moderner Elektrofahrzeuge.

In diesem Forschungsprojekt sollen mit labortechnischen und rechnergestützten Simulationen die Grundlagen für geeignete Konfigurationen solcher bidirektionaler induktiver Ladesysteme erarbeitet werden. Zudem sollen geeignete Schirmungssysteme und die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Schirmungsmaterialien durch geeignet weiter zu entwickelnde, hochauflösende numerische Feldsimulationsverfahren und den Aufbau einer messtechnischen Simulationsumgebung für diese Schirmstrukturen erforscht werden. Bei der Auslegung und Optimierung nehmen hierbei numerische Feldsimulationsmethoden besonderen Stellenwert ein, die in diesem Forschungsprojekt dahingehend methodisch erweitert werden, dass Übertragergeometrien und der Einfluss magnetischer Schirme in realitätsnahen EMVU Feldsimulationen mit hochauflösenden Menschmodellen deutlich genauer als bisher berücksichtigt werden können und damit eine rechnergestützte Optimierung dieser Systeme bzgl. Materialeinsatz und Gewichtsminimierung möglich wird. Die besondere wissenschaftliche Herausforderung liegt hierbei in dem Multiskalencharakter dieser dreidimensionalen Feldanordnungen, da diese aus Gewichtsgründen sehr dünnen, leichtgewichtigen und teilweise mit komplexen dreidimensionalen Geometrien versehenen Schirmungsstrukturen in räumlich ausgedehnten komplexen Umgebungsgeometrien (z.B. in Fahrzeugen) betrachtet werden müssen, in denen zudem noch räumlich hochauflösende Körpermodelle für die elektromagnetische Felddosimetrie positioniert sind.

Schlagworte:

Elektrische Energietechnik, Induktives Laden, Theoretische Elektrotechnik, Wissenschaftliches Rechnen, Numerik elektromagnetischer Felder, Elektromagnetische Felddosimetrie

 

Veröffentlichungen (chronologisch):

M. Alsayegh, M. Saifo, M. Clemens, B. Schmuelling, Magnetic and Thermal Coupled Field Analysis of Wireless Charging Systems for Electric Vehicles, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 55, no. 6, June 2019

M. Clemens, M. Zang, M. Alsayegh, B. Schmuelling, High Resolution Modeling of Magnetic Field Exposure Scenarios in the Vicinity of Inductive Wireless Power Transfer Systems, Invited paper, Intermag 2018, 23.-27.04.2018, Singapore, Malaysia, Abstract, April 2018

M. Alsayegh, M. Clemens, B. Schmuelling, Control Signaling in Wireless Power Transfer for Electric Vehicles through Ultra-Wideband, 14th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER 2019), Monaco, 08.-10.04.2019, November 2018

M. Clemens, M. Zang, C. Cimala, J. Dutiné, J. Streckert, T. Timm, B. Schmuelling, Simulation der Exposition des menschlichen Körpers durch magneto-quasistatische Felder von induktiven Ladesystemen in Automobilen, Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV 2018), Düsseldorf, 20.-22.02.2008, Germany. Tagungsband, pp. 295 – 303, Februar 2018

M. Zang, C. Cimala, M. Clemens, J. Dutiné und B. Schmuelling, A Co-Simulation Scalar-Potential Finite Difference (SPFD) Approach for the Simulation of Human Exposure to Magneto-Quasistatic Fields, 17th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC 2016), Miami, USA, 13.-16.11.2016, IEEE Transactions on Magnetics, 2017.

M. Zang, M. Clemens, C. Cimala, J. Streckert und B. Schmuelling, Simulation of Inductive Power Transfer Systems Exposing a Human Body with Two-Step Scaled-Frequency FDTD Methods, 17th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC 2016), Miami, USA, 13.-16.11.2016, IEEE Transactions on Magnetics, 2017.

M. Zang, C. Cimala, M. Clemens und B. Schmuelling, Comparison of Two Novel Approaches for the Simulation of Magneto-Quasistatic Human Exposure, International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering (IGTE 2016), Graz, Austria, 18.-21.09.2016. Book of Abstracts, p. 45., Juli 2016.

C. Cimala, M. Clemens, J. Streckert und B. Schmuelling, High-Resolution Magnetic Field Exposure Simulations of Automotive Inductive Power Transfer Systems Using a Scaled Frequency FDTD Approach with Multi-GPU Acceleration, 10th International Symposium on Electric and Magnetic Fields (EMF 2016), Lyon, France, 12.-14.04.2016, International Journal of Numerical Modell: Electric Networks, Devices and Fields, 2016.

C. Cimala, M. Zang, M. Clemens, J. Feng, B. Schmuelling und J. Streckert, Numerical Schemes for High-Resolution Dosimetry Simulations of Automotive Low Frequency Inductive Power Transfer Systems, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications & IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (ICEAA IEEE-APS 2015), Turin, Italy, 07.-11.09.2015. Full paper, September 2015.