Optimierung der Kurvenwechselinduktion in drahtlosen Ladungssystemen für Elektroautos
Die Zukunft des mobilen Laden von Elektroautos rückt einen Schritt näher – und das vor allem dank einer innovativen Lösung für ein lang bekanntes Problem: die Schwankungen der Energieübertragung, wenn Fahrzeuge in Kurven fahren. Forscher der Fachhochschule Shanghai für Elektrotechnik haben ein System entwickelt, das die Wechselinduktion zwischen der Bodenantennenspur und der Fahrzeugspule in Kurven deutlich stabilisiert – eine Entwicklung, die das dynamische drahtlose Laden (DDL) für praktische Anwendungen erheblich verbessern könnte.
Immer mehr Länder setzen auf Elektromobilität, um Treibhausgasemissionen zu senken und von fossilen Brennstoffen unabhängiger zu werden. Doch neben der Reichweite der Batterien und der Verfügbarkeit von Ladesäulen ist auch die Effizienz des Ladens ein entscheidender Faktor. Das drahtlose Laden, bei dem Elektroautos unterwegs – sogar während der Fahrt – auf speziellen Fahrbahnen aufgeladen werden können, wird als vielversprechende Lösung angesehen. Denn es eliminiert die Notwendigkeit, das Fahrzeug anzuhalten und an eine Ladesäule anzuschließen, und könnte so die Akzeptanz von Elektroautos weiter steigern.
Doch bislang gab es einen Haken: In Kurven verringert sich die Wechselinduktion zwischen der Antennenspur im Boden und der Spule im Fahrzeug erheblich. Dies führt zu Schwankungen in der Spannung und der Energieübertragung, was die Effizienz senkt und potenziell die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt. „In geraden Strecken funktioniert das drahtlose Laden bereits relativ zuverlässig“, erklärt Prof. Dr. Xu Fei von der Fachhochschule Shanghai für Elektrotechnik, der das Forschungsteam leitete. „Aber in Kurven, wo die Ausrichtung von Sender- und Empfängerspule sich ständig ändert, traten erhebliche Schwankungen auf. Das war ein großes Hindernis für die praktische Umsetzung.“
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein System mit einer zusätzlichen kreisförmigen Kompensationsspule, die in die rechteckige Hauptspule des Fahrzeugs integriert wird. Die Idee: Während der Fahrt in Kurven, wo die Wechselinduktion der Hauptspule abnimmt, übernimmt die Kompensationsspule einen Teil der Energieübertragung und stabilisiert so den Stromfluss. „Die kreisförmige Form hat sich als optimal erwiesen“, sagt Luo Qiang, Doktorand und Hauptautor der Studie. „Im Vergleich zu rechteckigen oder sechseckigen Spulen zeigt sie in Kurven eine deutlich geringere Schwankung der Wechselinduktion. Das liegt daran, dass sie eine gleichmäßigere Kopplung mit der Bodenantenne aufweist, auch wenn die Ausrichtung sich ändert.“
Um die optimale Anzahl an Windungen für die Kompensationsspule zu ermitteln, setzten die Forscher auf ein Kombination aus theoretischen Berechnungen und simulationsgestützter Optimierung. Mithilfe eines genetischen Algorithmus – einem Verfahren, das an der natürlichen Selektion angelehnt ist – wurden verschiedene Konfigurationen getestet, bis die Schwankungen der Wechselinduktion auf ein Minimum reduziert wurden. „Es handelte sich um ein komplexes Optimierungsproblem“, erklärt Luo Qiang. „Wir mussten nicht nur die Windungen der Kompensationsspule anpassen, sondern auch deren Position relativ zur Hauptspule und die Abstände zur Bodenantenne berücksichtigen. Erst durch die Kombination aus mathematischen Modellen und Simulationen konnten wir die idealen Parameter finden.“
Die Tests erfolgten in einem Laboraufbau, der eine realistische Fahrbahn mit Kurven nachbildete. Dabei wurden verschiedene Kurvenwinkel (45°, 90°, 135° und 180°) untersucht, um die Allgemeingültigkeit der Lösung zu prüfen. Ohne die Kompensationsspule lagen die Schwankungen der Wechselinduktion in manchen Fällen bei über 3%, was zu Spannungsschwankungen von bis zu 10% führte. Mit der neuen Konfiguration konnten die Forscher die Schwankungen der Wechselinduktion auf etwa ±0,4% senken – eine Verbesserung um fast 90%. Dadurch stabilisierte sich auch die Spannung im Fahrzeug: Ihre Schwankungen betrugen nur noch 3,6%, was deutlich unter dem kritischen Schwellenwert von 5% liegt, der für eine sichere und effiziente Batterieaufladung benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil der neuen Technik: Sie ist relativ einfach in bestehende Systeme integriert werden kann. „Die Kompensationsspule wird in die bestehende Hauptspule eingebaut und benötigt keine zusätzlichen großen Bauteile“, erklärt Prof. Xu. „Das macht die Lösung kostengünstig und praktikabel für serienmäßige Produktion. Wir konnten zeigen, dass sie auch bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten und Kurvenradien zuverlässig funktioniert.“
Um die Effizienz des Systems zu überprüfen, testeten die Forscher auch die Ladeeffizienz in Abhängigkeit von der Höhe des Fahrzeugs über der Bodenantenne. Dabei zeigte sich, dass bei einer Höhe von etwa 20 cm die höchste Effizienz erreicht wird – ein Wert, der gut mit den typischen Bodenabständen von Elektroautos übereinstimmt. „Bei zu geringer Höhe treten elektromagnetische Störungen auf, bei zu großer Höhe sinkt die Induktion“, erklärt Luo Qiang. „Die 20 cm sind also ein praktischer Kompromiss, der sowohl die Effizienz als auch die Sicherheit gewährleistet.“
Die Ergebnisse der Studie wurden in mehreren Tests bestätigt: Sowohl in Computersimulationen (unter Verwendung von COMSOL Multiphysics und MATLAB/Simulink) als auch in realen Experimenten mit einem Prototypsystem lieferte die neue Konfiguration konsistente Ergebnisse. „Das war für uns ein großer Erfolg“, sagt Prof. Xu. „Oftmals funktionieren Ideen in der Simulation, aber in der Praxis treten unvorhergesehene Probleme auf. Hier aber stimmten die theoretischen Vorhersagen und die experimentellen Daten gut überein. Das zeigt, dass unsere Lösung robust ist.“
Die Bedeutung der Entwicklung geht weit über die reine Technik hinaus. Ein zuverlässiges dynamisches drahtloses Ladesystem könnte die Reichweite von Elektroautos praktisch unbegrenzt machen – zumindest auf Strecken, die mit der entsprechenden Bodenantenne ausgestattet sind. Dies würde die “ Reichweitenangst“ (Range Anxiety) von Fahrern verringern und den Umstieg auf Elektromobilität erleichtern. Zudem könnte es die Notwendigkeit für große, schwere Batterien reduzieren, da Fahrzeuge unterwegs ständig aufgeladen werden könnten – was wiederum die Kosten und das Gewicht der Fahrzeuge senken würde.
„Wir sehen dies als einen wichtigen Schritt towards einer nachhaltigeren Mobilität“, betont Prof. Xu. „Das dynamische drahtlose Laden könnte in Zukunft auf Autobahnen, in Städten oder sogar in Parkhäusern eingesetzt werden. Mit unserer Kompensationsspule ist es nun möglich, auch in Kurven eine zuverlässige Energieübertragung zu gewährleisten – und das ist entscheidend für die Akzeptanz durch die Fahrer.“
Die Forscher planen nun, ihre Entwicklung weiter zu verfeinern. Nächster Schritt ist der Test unter realen Straßenbedingungen, um die Langzeitstabilität zu prüfen. Zudem wollen sie die Effizienz weiter steigern und die Systeme an verschiedene Fahrzeugmodelle anpassen. „Es gibt noch Raum für Verbesserungen“, sagt Luo Qiang. „Wir arbeiten bereits an einer intelligenteren Steuerung, die die Kompensationsspule in Echtzeit an die aktuellen Fahrbedingungen anpasst – z. B. an die Geschwindigkeit oder die Kurvenradius. Das könnte die Effizienz noch weiter steigern.“
Experten sehen in der Entwicklung einen wichtigen Meilenstein. „Die Stabilisierung der Energieübertragung in Kurven war eines der letzten großen Probleme im Bereich des dynamischen drahtlosen Ladens“, erklärt Dr. Maria Schmidt, Elektromobilitätsexpertin bei der Forschungsinstitution für nachhaltige Energie. „Diese Studie zeigt eine praktikable Lösung, die schnell in die Produktion überführt werden könnte. Das könnte die Verbreitung von Elektroautos beschleunigen und dazu beitragen, die Verkehrsemissionen zu senken.“
Die Automobilindustrie hat bereits Interesse an der neuen Technik geäußert. Einige Hersteller planen, die Kompensationsspulen in zukünftige Modelle zu integrieren, insbesondere in Fahrzeuge für den öffentlichen Verkehr, wie Busse oder Trams, die auf festen Strecken fahren und somit gut für das dynamische Laden geeignet sind. „Für Busse, die ständig dieselben Routen fahren, wäre eine Ausstattung der Fahrbahnen mit drahtlosen Ladesystemen besonders kosteneffektiv“, erklärt Prof. Xu. „Unsere Technologie könnte hier schnell praktische Anwendung finden.“
Zusammengefasst ist die Entwicklung der integrierten Kompensationsspule ein bedeutender Fortschritt für das dynamische drahtlose Laden von Elektroautos. Sie überwindet ein langwieriges Hindernis und ebnet den Weg für eine breitere Anwendung dieser Technologie. Mit stabileren Energieübertragung in Kurven und hoher Effizienz könnte das System in naher Zukunft zu einem Standard in der Elektromobilität werden – und so dazu beitragen, die Verkehrswende voranzutreiben.
Autor: Luo Qiang
Institution: Fachhochschule Shanghai für Elektrotechnik, Fakultät für Elektrotechnik
Zeitschrift: Electrical Measurement & Instrumentation
DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.01.014