A3.2 - Designing an economically efficient and reliable static and dynamic wireless charging infrastructure for emission-free apron ground vehicles

Motivation & Projektbeschreibung

Im Rahmen der Planung induktiver Ladeinfrastrukturen auf Flughafenvorfeldern soll eine Infrastruktur entwickelt werden, die einen störungsfreien Servicebetrieb elektrisch betriebener Flughafenvorfeldfahrzeuge sicherstellt. Für diese Infrastruktur finden sich verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten, bei denen zwischen stationärer und dynamischer Ladungsübertragung unterschieden wird. Sowohl stationäre als auch dynamisch induktive Ladesysteme ermöglichen eine vom Benutzer unabhängige Ladungsübertragung zwischen der Straßeninfrastruktur und dem zu ladenden Fahrzeug. Die Ladung erfolgt über ein magnetisches Feld, sodass kein Kabel zu dem Fahrzeug benötigt wird. Darüber hinaus ermöglicht die dynamisch induktive Ladungsübertragung eine Ladung der Fahrzeuge während der Fahrt. Diese Technologie hat mehrere positive Effekte: Die Fahrzeuge haben keine Downtime durch die Ladung, die Reichweite ist nicht begrenzt und die Batterie kann im Vergleich zu normalen Elektrofahrzeugen ggf. verkleinert werden.

Die induktive Ladung von Fahrzeugen erfordert zwei interagierende Systeme. Einerseits bedarf es einem Energieübertragungssystem, welches wiederum aus einer Energieversorgungseinheit und einer Energieübertragungseinheit in der Straße besteht. Die Energieversorgungseinheit (Power Supply Unit/PSU), stellt eine Verbindung zum Stromnetz her. Über die Energieübertragungseinheit (Inductive Transmitter Unit/ITU) im Boden wird die Energie an die Fahrzeuge übertragen. Andererseits wird für die dynamisch induktive Ladung ein elektrisch betriebenes Fahrzeug benötigt. Dieses muss im Vergleich zu einem normalen Elektrofahrzeug zusätzlich mit einem Aufnahmesystem für die Energie und einem Laderegler ausgestattet sein.

Zur Planung der (dynamisch) induktiven Infrastrukturen auf Flughafenvorfeldern können mathematische Optimierungsmodelle genutzt werden. Hierbei ist das Ziel, die benötigten Komponenten eines solchen induktiven Ladesystems kostenminimal unter Berücksichtigung der Fahrzeugverbräuche auf dem Vorfeld anzuordnen.

Ziele

• Definition von Anforderungen an induktive Ladesysteme aus technischer und betriebswirtschaftlicher Sicht
• Entwicklung von grundlegenden mathematischen Optimierungsmodellen zur Planung dynamisch induktiver Ladesysteme
• Integration von weiteren Aspekten in die grundlegenden Modelle wie
  • unterschiedliche Fahrzeugtypen
  • Leistungsbegrenzung von PSU/ITU
  • Leistungsverluste an Kabeln
  • Batteriegröße
• Integration von statischen Ladesystemen in die Modelle
• Entwicklung von Testinstanzen
• Entwicklung von Lösungsansätzen für die Modelle, da die Rechenzeiten von Standardsolvern mit steigender Instanzgröße stark ansteigen, z.B.
  • Spaltengenerierung
  • Benders Dekomposition
  • Heuristiken
• Validierung der Modellergebnisse durch Simulation