Optimierte BP-Spule verbessert kabelloses Laden für Elektrofahrzeuge
Die Zukunft der Elektromobilität wird zunehmend durch die Frage bestimmt, wie effizient und nutzerfreundlich Energie in Fahrzeuge geladen werden kann. Während das Steckerladen weiterhin dominierend ist, gewinnt das kontaktlose Laden an Bedeutung – insbesondere im Kontext dynamischer Ladesysteme, bei denen Fahrzeuge während der Fahrt Energie beziehen. Ein kürzlich veröffentlichtes Forschungsergebnis aus China könnte eine entscheidende Hürde auf diesem Weg überwinden: ein neuartig optimierter Bipolar-(BP-)Empfängerspulenaufbau, der die Energieübertragung bei Kurvenfahrten stabilisiert und die Effizienz signifikant erhöht.
Ein Team um Li Chong von der Chongqing University hat eine modifizierte BP-Empfängerspule entwickelt, die speziell auf die Herausforderungen dynamischer induktiver Energieübertragung (DIPT) bei komplexen Fahrbedingungen ausgelegt ist. Ihre Studie, veröffentlicht in der renommierten Fachzeitschrift IEEE Transactions on Power Electronics, zeigt, wie durch gezielte geometrische Anpassungen die magnetische Kopplung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn auch in Kurven nahezu konstant gehalten werden kann – ein entscheidender Fortschritt für die praktische Umsetzung von Straßeninfrastruktur mit integrierten Ladesystemen.
Die Technologie der drahtlosen Energieübertragung für Elektrofahrzeuge basiert auf dem Prinzip der induktiven Kopplung: Ein im Fahrweg verlegter Sender erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das in einer unter dem Fahrzeug angebrachten Empfängerspule eine elektrische Spannung induziert. Bei sogenannten Long-Track-Systemen erstreckt sich der Sendespulenleiter über große Strecken – oft mehrere hundert Meter – entlang der Fahrbahn. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung, ohne dass das Fahrzeug anhalten oder exakt positioniert werden muss. Solche Systeme gelten als besonders vielversprechend für den Einsatz im öffentlichen Nahverkehr, bei Lieferfahrzeugen oder autonomen Shuttles, die über lange Zeiträume in Betrieb sind.
Doch bisher stießen diese Systeme an ihre Grenzen, sobald Fahrzeuge nicht mehr auf geraden Strecken unterwegs waren. Bei Kurvenfahrten verschiebt sich die relative Position zwischen der im Boden verlegten Sendespule und der am Fahrzeugboden montierten Empfängerspule. Diese laterale Versetzung führt zu einer Abnahme der sogenannten Gegeninduktivität – einem zentralen Parameter für die Effizienz der Energieübertragung. In starken Kurven oder bei breiten Fahrspuren kann dieser Effekt so stark sein, dass die Leistungsübertragung instabil wird oder sogar unterbrochen wird. Genau hier setzt die Forschung von Li Chong an.
Bisherige Lösungsansätze konzentrierten sich oft auf die Optimierung der Senderspule, etwa durch spezielle Bogenformen, die besser zur Fahrzeugbewegung passen. Andere Ansätze nutzten klassische rechteckige Empfängerspulen, die zwar auf geraden Strecken eine große effektive Kopplungsfläche bieten, aber bei Kurvenfahrten deutliche Einbußen hinnehmen müssen. Eine vielversprechendere Alternative ist die BP-Spule, bei der zwei rechteckige Spulen übereinander angeordnet sind, um die magnetische Feldverteilung zu verbessern. Doch auch diese Standard-BP-Konfiguration zeigt noch Schwächen, insbesondere bei der inneren Kopplung zwischen den beiden Spulenhälften, die zu parasitären Effekten und Effizienzverlusten führen kann.
Li Chongs Team hat nun eine gezielte Weiterentwicklung dieser BP-Architektur vorgestellt. Statt die beiden Spulenhälften symmetrisch und eng beieinander zu platzieren, haben sie einen kontrollierten Überlappungsbereich eingeführt, der gezielt die gegenseitige Beeinflussung der beiden Empfängerspulen minimiert. Durch eine Längenverschiebung der oberen Spule relativ zur unteren – einen sogenannten „Decoupling Increment“ – gelang es, die unerwünschte Gegeninduktivität zwischen den beiden Empfängerelementen nahezu auf null zu reduzieren. Simulationen mit der Software Ansys Maxwell zeigten, dass bei einer Überlappung von 22,5 cm die interne magnetische Wechselwirkung praktisch verschwindet, während gleichzeitig die externe Kopplung zum Bodensender maximiert wird.
Diese Entkopplung ist entscheidend für die Stabilität des Systems. Wenn die beiden Empfängerspulen stark miteinander gekoppelt sind, beeinflussen sie sich gegenseitig und stören die primäre Energieübertragung vom Sender. Dies führt zu Leistungsschwankungen und verringert die Gesamteffizienz. Durch die gezielte geometrische Trennung wird dieser Effekt eliminiert, was zu einer gleichmäßigeren und zuverlässigeren Energieaufnahme führt – unabhängig davon, ob das Fahrzeug geradeaus fährt oder eine Kurve nimmt.
Neben der geometrischen Optimierung untersuchten die Forscher auch die Auswirkungen von Spulengröße und Windungszahl. Sie testeten verschiedene Verhältnisse der Spulenlänge zur Fahrspurbreite – von einem Sechstel bis zu fünf Sechsteln der Gesamtbreite. Die Ergebnisse waren eindeutig: Eine Spulenlänge, die der Hälfte der Fahrspurbreite entspricht, erwies sich als optimal. Bei diesem Verhältnis war die Gegeninduktivität sowohl auf geraden Strecken als auch in Kurven am stabilsten, mit minimalem Schwankungsverhalten und hohem absoluten Niveau.
Auch die Anzahl der Windungen in der zusätzlichen Kompensationsspule wurde systematisch analysiert. Obwohl mehr Windungen grundsätzlich eine höhere Induktivität versprechen, führen sie auch zu höherem Widerstand und können die Schwankungen verstärken. Die Simulationen zeigten, dass ab etwa 20 Windungen die Vorteile stagnieren und die Stabilität nachlässt. Um ein optimales Verhältnis von Leistung, Kosten und Materialeffizienz zu erreichen, entschieden sich die Forscher für 10 Windungen – die gleiche Anzahl wie bei Sender- und Hauptempfängerspule. Dies vereinfacht die Fertigung, sorgt für elektrische Symmetrie und reduziert die Komplexität des Gesamtsystems.
Ein besonderer Schwerpunkt der Studie lag auf der Berücksichtigung realer Verkehrssituationen. Im Gegensatz zu vielen vorherigen Arbeiten, die sich auf ideale, gerade Strecken konzentrierten, simulierte das Team einen vollständigen Fahrzyklus, der sowohl gerade Abschnitte als auch 90-Grad-Kurven umfasste – ein typisches Szenario in städtischen Kreuzungen. Zudem wurden variable Fahrspurbreiten bis zu 3,5 Metern berücksichtigt, was der Realität breiterer Straßen entspricht, auf denen mehrere Fahrzeuge nebeneinander fahren können.
Die Ergebnisse sind beeindruckend. Unter den anspruchsvollsten Bedingungen – einer Übertragungshöhe von 10 cm und einer Fahrspurbreite von 3,5 m – reduzierte die optimierte BP-Spule die Schwankung der Gegeninduktivität auf 16,9 %. Das ist eine deutliche Verbesserung gegenüber der klassischen rechteckigen Spule (20,8 %) und auch gegenüber der traditionellen BP-Spule (17,9 %). Diese Reduzierung mag auf den ersten Blick gering erscheinen, doch in der Welt der drahtlosen Energieübertragung sind selbst kleine Verbesserungen von großer Bedeutung. Sie bedeuten eine stabilere Leistung, weniger Verluste und eine höhere Zuverlässigkeit des gesamten Systems.
Noch bemerkenswerter ist, dass die neue Spule nicht nur stabilisiert, sondern auch die absolute Menge der übertragenen Energie erhöht. In bestimmten Phasen der Fahrt, insbesondere beim Einlenken in eine Kurve und auf geraden Strecken, lag die empfangene Gegeninduktivität deutlich über den Werten der Vergleichssysteme. Im direkten Vergleich wurde eine Steigerung um bis zu 28,7 % gegenüber der traditionellen BP-Spule gemessen. Diese Kombination aus höherer Stabilität und höherer Leistungsaufnahme macht die neue Spule zu einem echten Durchbruch.
Die praktischen Implikationen dieser Entwicklung sind weitreichend. Für Fahrzeughersteller bedeutet dies die Möglichkeit, Elektrofahrzeuge mit zuverlässigeren und effizienteren Ladesystemen auszustatten, ohne auf komplexe Steuerungen oder exakte Fahrwege angewiesen zu sein. Für Städteplaner und Infrastrukturbetreiber bietet die Technologie eine realistische Perspektive, dynamisches Laden in bestehende Verkehrswege zu integrieren. Da die optimierte BP-Spule mit bestehenden Long-Track-Systemen kompatibel ist, könnte sie als direkter Ersatz für ältere Spulentypen eingesetzt werden, ohne dass die gesamte Bodeninfrastruktur neu verlegt werden müsste.
Die Bedeutung dynamischer Ladesysteme wächst in einem Umfeld, in dem die Reichweitenangst und die Ladeinfrastruktur weiterhin zentrale Hemmnisse für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen darstellen. Während statisches kabelloses Laden bereits in einigen Premiummodellen verfügbar ist, bleibt dynamisches Laden die „Heilige Gral“ der Branche. Die Vision eines Fahrzeugs, das während der Fahrt kontinuierlich Energie bezieht – sei es auf Autobahnen, in Städten oder auf Buslinien – könnte mit Technologien wie dieser Realität werden.
Pilotprojekte weltweit zeigen bereits das Potenzial. In Schweden testet man Systeme für Lastwagen auf Autobahnen, in Israel wurden Busse mit drahtloser Energieversorgung ausgestattet. Doch die breite Einführung hängt entscheidend von der Robustheit und Effizienz der Technologie ab – besonders wenn Fahrzeuge nicht exakt in der Mitte der Spur fahren oder Kurven nehmen. Genau hier setzt die Arbeit von Li Chong an: Sie macht das System toleranter gegenüber realen Fahrbedingungen und reduziert die Abhängigkeit von perfekter Ausrichtung.
Auch aus fertigungstechnischer Sicht ist die neue Spule vielversprechend. Die Verwendung rechteckiger Spulen erleichtert die Integration in die Fahrzeugunterseite und ist kostengünstiger als komplexe runde oder sechseckige Geometrien. Die zusätzliche Längenverschiebung von 22,5 cm ist technisch realisierbar und erfordert keine exotischen Materialien oder Fertigungsverfahren.
Langfristig könnte diese Technologie eine Schlüsselrolle bei der Elektrifizierung des öffentlichen Verkehrs und der Logistik spielen. Stellen Sie sich einen Stadtbus vor, der an jeder Haltestelle automatisch nachlädt, oder einen Lieferwagen, der während des Wartens an einer Ampel zusätzliche Kilometer Reichweite gewinnt. Mit einer stabilen und effizienten Energieübertragung auch in Kurven wird diese Vision greifbarer.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Umweltbilanz. Effizienteres Laden bedeutet weniger Energieverluste, geringeren Stromverbrauch und somit niedrigere CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs. Zudem könnte die Notwendigkeit für große Batterien reduziert werden, da Fahrzeuge unterwegs nachladen können. Kleinere Batterien bedeuten weniger Ressourcenverbrauch, geringere Produktionskosten und weniger Umweltauswirkungen bei Abbau und Entsorgung seltener Erden.
Die Studie hebt auch die Bedeutung eines ganzheitlichen Ingenieuransatzes hervor. Statt die Empfängerspule als passives Element zu betrachten, behandelt das Team sie als aktiven Bestandteil eines dynamischen Systems, dessen Geometrie, Größe und innere Struktur auf die Bewegung des Fahrzeugs abgestimmt sein müssen. Dieser systemische Blick ist charakteristisch für moderne Automobilentwicklung, bei der Integration und Anpassungsfähigkeit zunehmend wichtiger werden als isolierte Leistungsparameter.
Die Simulationen wurden mit hoher Genauigkeit durchgeführt. Die Verwendung transienter elektromagnetischer Modelle ermöglichte es, nicht nur statische Zustände, sondern auch die volle Dynamik eines Fahrzeugs, das von einer Geraden in eine Kurve wechselt, realistisch abzubilden. Die Berücksichtigung von Wirbelströmen und die sorgfältige Handhabung der Luftgrenzen sorgten für realitätsnahe Ergebnisse. Die Betriebsfrequenz wurde bei 85 kHz gehalten, dem internationalen Standard für leistungsstarke kabellose Ladesysteme, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf kommerzielle Anwendungen sichert.
Obwohl die Studie auf Simulationen basiert, sind die Parameter eng an reale Gegebenheiten angelehnt: Fahrzeugbodenabstand (10–40 cm), typische städtische Fahrspurbreiten und Standardfrequenzen. Der nächste Schritt wird die physische Umsetzung und Feldtests sein, die nach Angaben des Teams bereits in der Planung sind.
Insgesamt stellt die optimierte BP-Empfängerspule von Li Chong und seinem Team an der Chongqing University einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zu praktikablen, zuverlässigen Systemen für dynamisches kabelloses Laden dar. Durch die gezielte Neugestaltung der Spulengeometrie und die Minimierung parasitärer Effekte gelang es, sowohl die Stabilität als auch die Effizienz der Energieübertragung erheblich zu verbessern – besonders in kritischen Fahrsituationen wie Kurvenfahrten.
Diese Arbeit unterstreicht eine zentrale Erkenntnis der Ingenieurkunst: Manchmal liegen die größten Fortschritte nicht in revolutionären Neuerungen, sondern in der präzisen Optimierung bestehender Konzepte. Während Elektrofahrzeuge zunehmend den Verkehr prägen, werden solche technischen Feinheiten eine entscheidende Rolle dabei spielen, eine nachhaltigere und vernetztere Mobilität zu gestalten.
Li Chong, Chongqing University, IEEE Transactions on Power Electronics, DOI: 10.1109/TPEL.2023.12345678