Drahtloses Laden: Neuer Durchbruch bei Reichweite und Präzision
Ein neuartiges System für das drahtlose Laden von Elektrofahrzeugen (EVs) stellt die bisherigen Grenzen dieser Technologie infrage. Forscher des Stromversorgungsbüros Liuzhou der Guangxi Power Grid Corporation, in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Automatisierung der Chongqing University, haben eine Lösung vorgestellt, die zwei der größten Hürden für die flächendeckende Einführung des kontaktlosen Ladens überwindet: die Notwendigkeit einer präzisen Fahrzeugpositionierung und die Anforderung an Batterien, sowohl im konstanten Strom- als auch im konstanten Spannungsmodus geladen zu werden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Journal of Chongqing University veröffentlicht wurden, zeigen ein System, das selbst bei erheblichen Abweichungen zwischen Sender- und Empfängerspule eine stabile und effiziente Energieübertragung gewährleistet.
Die Bedeutung dieser Entwicklung kann kaum überschätzt werden. Während Elektrofahrzeuge weltweit an Beliebtheit gewinnen, bleibt die Ladeinfrastruktur ein entscheidender Faktor für die Kaufentscheidung. Drahtloses Laden verspricht eine beispiellose Bequemlichkeit – das Fahrzeug muss lediglich über eine Ladematte geparkt werden, um den Ladevorgang zu starten. Es eliminiert verschlissene Stecker, schützt vor Witterungseinflüssen und ist ein entscheidender Baustein für vollautomatisierte Mobilitätskonzepte. Doch bisherige Systeme leiden unter einem gravierenden Mangel: Ihre Effizienz bricht dramatisch ein, wenn das Fahrzeug nicht perfekt ausgerichtet ist. In der realen Welt, wo Parklücken eng sind und Fahrer selten mit millimetergenauer Präzision parken, hat dies die praktische Anwendbarkeit erheblich eingeschränkt.
Das Team um Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu und Guanlin Chen von der Guangxi Power Grid und Jinghai Zhang von der Chongqing University hat nun eine innovative Spulengeometrie entwickelt, die dieses Problem gezielt angeht. Anstelle der üblichen, einfachen Spulen verwendet ihr System eine sogenannte bidirektionale koaxiale Flachspule auf der Primärseite, also der Seite, die im Boden installiert ist. Diese besteht aus zwei konzentrischen Spulen, die in entgegengesetzte Richtungen gewickelt und in Reihe geschaltet sind. Diese scheinbar kontraintuitive Konstruktion ist der Schlüssel zu ihrer außergewöhnlichen Robustheit.
Das Prinzip hinter dieser Technologie ist physikalisch elegant. Die äußere Spule erzeugt das primäre Magnetfeld, das die Energie zum Fahrzeug überträgt. Die innere Spule, die in umgekehrter Richtung gewickelt ist, erzeugt ein gegenläufiges Magnetfeld, das einen Teil des Feldes der äußeren Spule kompensiert. Wenn das Fahrzeug seitlich verschoben wird, verringert sich die magnetische Kopplung zwischen Sender und Empfänger. Bei einer herkömmlichen Spule führt dies zu einem ungleichmäßigen und starken Rückgang der übertragenen Leistung. Bei der bidirektionalen Spule jedoch wirken sich die Verluste an der inneren und äußeren Spule in einer Weise aus, dass ihre Differenz – die effektive, nutzbare Kopplung – erstaunlich konstant bleibt. Dies bedeutet, dass das System auch bei einer seitlichen Abweichung von bis zu 200 Millimetern eine stabile Leistungsübertragung aufrechterhalten kann, was weit über die typischen Parkungenauigkeiten hinausgeht.
Die Forscher haben diesen Effekt nicht nur theoretisch beschrieben, sondern auch durch umfangreiche Simulationen und praktische Tests nachgewiesen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Effizienz ihres Systems bei einer perfekten Ausrichtung bei beeindruckenden 87,4 Prozent liegt. Selbst bei einer maximalen Verschiebung von 200 mm bleibt die Effizienz stabil bei etwa 86 Prozent. Im Vergleich dazu zeigt ein herkömmliches quadratisches Spulendesign unter denselben Bedingungen einen deutlichen Effizienzverlust von 86,5 Prozent auf 82,2 Prozent und einen dramatischen Rückgang der Ausgangsleistung von 1,63 kW auf 1,24 kW. Dieser direkte Vergleich unterstreicht die überlegene Leistungsfähigkeit der neuen Spulentechnologie.
Die technische Innovation beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Spulengeometrie. Ein weiteres zentrales Problem beim Laden von Lithium-Ionen-Batterien ist der zweistufige Ladevorgang. Zunächst wird mit konstantem Strom (Constant Current, CC) geladen, um die Batterie schnell aufzufüllen. Sobald eine bestimmte Spannung erreicht ist, wechselt der Ladevorgang in die Phase des konstanten Spannungsladens (Constant Voltage, CV), um die Batterie sicher zu vollständig zu laden, ohne sie zu beschädigen. Viele bestehende drahtlose Systeme können nur einen dieser Modi effizient unterstützen oder erfordern komplexe und fehleranfällige Schaltungen, um zwischen den Modi zu wechseln.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine spezielle elektrische Schaltung, die sogenannte bilateral LCC-Kompensationstopologie, eingesetzt. Diese Topologie ermöglicht es dem System, bei zwei unterschiedlichen Frequenzen zu arbeiten. Bei einer Frequenz von 100 kHz liefert das System eine konstante Ausgangsstromstärke, unabhängig von den Schwankungen des Batteriewiderstands – ein entscheidender Faktor für die Stabilität im CC-Modus. Erreicht die Batterie die vorgegebene Spannung, schaltet das System automatisch auf eine höhere Frequenz von 107,3 kHz um, wodurch ein konstanter Ausgangsspannungswert gewährleistet wird. Dieser nahtlose Übergang zwischen den beiden Modi erfolgt vollautomatisch durch eine intelligente Steuerung, die die Ausgangsspannung kontinuierlich überwacht und die Frequenz entsprechend anpasst. Diese Frequenzsprung-Steuerung ist elegant und vermeidet den Einsatz mechanischer Relais oder zusätzlicher Leistungselektronik, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems erhöht.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des Systems ist, dass es bei beiden Betriebsfrequenzen einen sogenannten Nullphasenwinkel (Zero Phase Angle, ZPA) erreicht. Dies bedeutet, dass die Wechselspannung und der Wechselstrom an der Eingangsseite der Primärspule perfekt in Phase sind. Ein ZPA-Betrieb ist von höchster Bedeutung, da er die Blindleistung auf ein Minimum reduziert und somit die Gesamteffizienz maximiert. Es stellt sicher, dass die von der Stromquelle gelieferte Energie effizient in nützliche Leistung umgewandelt wird, ohne dass unnötige Verluste in Form von reaktiver Leistung entstehen. Dies ist nicht nur gut für die Effizienz des Ladeprozesses, sondern auch für das Stromnetz, da es die Belastung durch harmonische Verzerrungen minimiert.
Die Entwicklung dieser Technologie ist das Ergebnis einer tiefgreifenden und systematischen Forschung. Die Wissenschaftler begannen mit der Analyse der physikalischen Grundlagen der bilateralen LCC-Topologie, um die mathematischen Bedingungen für eine lastunabhängige konstante Strom- und Spannungsausgabe zu ermitteln. Sie entwickelten einen klaren Parametrierungsprozess, um die Induktivitäten und Kapazitäten der Schaltung so zu dimensionieren, dass die gewünschten Betriebsbedingungen erreicht werden. Parallel dazu optimierten sie die physische Spulengeometrie. Sie untersuchten systematisch den Einfluss von Parametern wie der relativen Ladehöhe – dem Verhältnis von Abstand zwischen den Spulen zur Seitenlänge der Primärspule – und fanden heraus, dass ein Verhältnis von 0,25 ein besonders gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt. Sie analysierten auch das Verhältnis der Windungszahlen zwischen der äußeren und inneren Primärspule und die Wicklungsdichte (Wicklungspitch). Ihre Erkenntnis war, dass ein höheres Windungszahlenverhältnis zwar die maximale Kopplung erhöht, aber gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber Verschiebungen verstärkt. Ein niedrigeres Verhältnis erhöht die Robustheit, verringert aber die Spitzenleistung. Das endgültige Design mit 12 Windungen für die äußere Spule und 8 Windungen für die innere Spule stellt ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung und Toleranz dar. Der Wicklungspitch hatte dagegen nur einen geringen Einfluss auf die Verschiebungstoleranz, weshalb eine dichte, enge Wicklung gewählt wurde, um die maximale Induktivität und Leistungsdichte zu erzielen.
Die praktische Validierung der Theorie erfolgte an einem voll funktionsfähigen Prototyp. Die Primär- und Sekundärspulen wurden aus 5 mm dickem Litzendraht gewickelt, einem speziellen Draht, der die Verluste bei hohen Frequenzen minimiert. Als elektronische Last diente ein realer Batteriesatz eines Hikvision Q7-1000E Elektrofahrzeugs, was der Studie eine hohe praktische Relevanz verleiht. Die experimentellen Daten bestätigten die Simulationen in beeindruckender Weise. Neben der hohen Effizienz und der Verschiebungstoleranz demonstrierte das System die Fähigkeit, im CC-Modus eine Ausgangsstromstärke von etwa 18,1 A bei Laständerungen beizubehalten, wobei die Abweichung bei maximaler Verschiebung nur bei etwa 2 Prozent lag. Im CV-Modus blieb die Ausgangsspannung innerhalb eines Bereichs von 0,5 V konstant, was einer Fluktuation von nur einem Prozent entspricht – ein Maß an Präzision, das für die Gesundheit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien entscheidend ist.
Diese Forschungsarbeit, die in der Fachwelt bereits große Aufmerksamkeit erregt hat, stellt einen signifikanten Sprung nach vorn dar. Sie verbindet die theoretische Tiefe der Schaltungstheorie mit der praktischen Ingenieurskunst der elektromagnetischen Feldgestaltung. Die enge Zusammenarbeit zwischen einem führenden Energieversorger, der die Anforderungen der Infrastruktur kennt, und einer renommierten Universität, die über das wissenschaftliche Know-how verfügt, ist ein Paradebeispiel für erfolgreiche angewandte Forschung. Die Ergebnisse haben das Potenzial, die Zukunft der Elektromobilität zu gestalten. Sie könnten nicht nur das Parken und Laden für Privatfahrer einfacher und bequemer machen, sondern auch die Tür für völlig neue Anwendungen öffnen, wie etwa das dynamische Laden von Fahrzeugen während der Fahrt auf speziell ausgestatteten Straßenabschnitten oder die vollautomatisierte Ladung von Fahrzeugen in Depots ohne jegliches menschliches Eingreifen.
Die Veröffentlichung der Ergebnisse in der Journal of Chongqing University, Band 47, Ausgabe 8, August 2024, unter dem Titel „Research on constant current/constant voltage output of electric vehicle wireless charging system and anti-offset magnetic energy coupling mechanism“ mit der DOI 10.11835/j.issn.1000.582X.2024.08.007, stellt sicher, dass diese bahnbrechende Arbeit der gesamten wissenschaftlichen und industriellen Gemeinschaft zur Verfügung steht. Die Autoren sind Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu, Guanlin Chen vom Liuzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co., Ltd. und Jinghai Zhang von der Fakultät für Automatisierung der Chongqing University.