Rundspulen-Design verbessert kabelloses Laden von E-Autos bei Fehlausrichtung
In der Entwicklung der Elektromobilität rückt nicht nur die Reichweite in den Fokus, sondern zunehmend auch die Ladeinfrastruktur. Während das Steckerladen nach wie vor dominierend ist, gewinnt das kontaktlose Laden über magnetische Resonanzkopplung an Bedeutung – besonders im Hinblick auf dynamische Systeme, bei denen Fahrzeuge während der Fahrt Energie aufnehmen. Eine der größten Herausforderungen bleibt jedoch die Empfindlichkeit der Systeme gegenüber seitlicher Fehlausrichtung zwischen Sender- und Empfängerspule. Selbst geringe Abweichungen, wie sie im Alltagsverkehr unvermeidlich sind, können die Effizienz drastisch mindern.
Eine aktuelle Studie des Forschungsteams um Wang Xin, Zhao Weihua und Wei Junzhao von der School of Vehicle Engineering der Xi’an Aeronautical University zeigt nun, wie sich diese Hürde durch gezielte Spulengeometrie und Optimierung überwinden lässt. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Journal of Xi’an Aeronautical University, belegen, dass runde Spulen in Kombination mit einer gezielten Wicklungsanpassung und einem E-förmigen Ferritkern eine bemerkenswerte Robustheit gegenüber seitlicher Verschiebung erreichen – und dabei sogar die Leistung quadratischer Spulen übertreffen.
Die Arbeit liefert nicht nur neue Erkenntnisse über die physikalischen Eigenschaften von magnetgekoppelten Systemen, sondern auch ein praktikables Designkonzept, das den Weg für eine breitere Anwendung kabelloser Ladesysteme ebnen könnte.
Die Herausforderung: Seitliche Verschiebung im Straßenverkehr
Beim dynamischen kabellosen Laden wird Energie über im Fahrweg verlegte Spulen an eine unter dem Fahrzeug montierte Empfängerspule übertragen. Im Gegensatz zum statischen Laden – etwa an einer privaten Ladestation – kann hier keine exakte Positionierung vorausgesetzt werden. Fahrzeuge weichen aufgrund von Fahrverhalten, Spurrillen, Fahrbahnneigungen oder Fahrwerkseffekten regelmäßig von der idealen Fahrspur ab. Diese seitliche Abweichung führt zu einer Verringerung der magnetischen Kopplung zwischen den Spulen.
Die Kopplungskoeffizienten sinken, die gegenseitige Induktivität nimmt ab, und damit sinkt auch die übertragbare Leistung sowie der Wirkungsgrad. In schlecht optimierten Systemen kann bereits eine Verschiebung von 10 cm zu einem Effizienzverlust von über 40 Prozent führen. Solche Systeme wären für den Alltagseinsatz ungeeignet, da sie entweder zu ineffizient wären oder eine extrem präzise Fahrzeugführung erfordern würden – etwa durch hochentwickelte Assistenzsysteme.
Um dieses Problem zu lösen, setzen viele Entwickler auf spezielle Spulengeometrien wie DD-Spulen (zwei D-förmige Wicklungen), die aufgrund ihrer Feldverteilung eine gewisse Toleranz gegenüber seitlicher Verschiebung bieten. Quadratische Spulen werden oft aus Platzgründen bevorzugt, da sie sich besser in die Fahrzeugunterseite integrieren lassen. Runde Spulen hingegen galten lange als weniger robust, da ihre Feldverteilung symmetrisch ist und somit bei Verschiebung schnell an Kopplung verliert.
Doch die neue Studie stellt diese Annahme in Frage – und zeigt, dass die Geometrie allein nicht entscheidend ist, sondern dass die Optimierung der gesamten Struktur den Ausschlag gibt.
Vergleich: Runde vs. quadratische Spulen unter realen Bedingungen
Um die Leistungsfähigkeit verschiedener Spulentypen unter realistischen Bedingungen zu bewerten, nutzten die Forscher ein kombiniertes Simulationsmodell aus ANSYS Maxwell und ANSYS Simplorer. Diese Softwarekombination ermöglicht es, sowohl das elektromagnetische Verhalten der Spulen als auch die elektrischen Eigenschaften des gesamten Resonanzkreises zu analysieren – von der Primärseite bis zur Last.
Die Simulationen orientierten sich an den Anforderungen der chinesischen Norm GB/T 38775.1-2020 für kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere für WPT-Level-1-Systeme. Als zentrale Parameter wurden ein vertikaler Abstand von 15 cm zwischen den Spulen – repräsentativ für den typischen Bodenabstand eines Pkw – und eine Eingangsleistung von 3,5 kW festgelegt. Beide Spulentypen, rund und quadratisch, wurden bei gleicher Fläche verglichen, um den Einfluss der Geometrie isoliert betrachten zu können.
In der zentrierten Position (keine seitliche Verschiebung) zeigten beide Spulen ähnliche Ergebnisse mit einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Sobald jedoch eine seitliche Abweichung entlang der Y-Achse eingeführt wurde, zeigte sich ein deutlicher Unterschied.
Bei einer Verschiebung von 10 cm sank der Wirkungsgrad der quadratischen Spule auf etwa 62 Prozent, die Ausgangsleistung fiel auf rund 2,1 kW. Die runde Spule hingegen erreichte weiterhin einen Wirkungsgrad von fast 70 Prozent und lieferte 2,43 kW Leistung – ein Plus von über 15 Prozent gegenüber der quadratischen Variante. Bei 20 cm Verschiebung blieb die runde Spule weiterhin überlegen, obwohl beide Systeme an Effizienz verloren.
Interessant ist, dass die quadratische Spule zwar eine stabilere Spannungs- und Stromcharakteristik aufwies – ein Hinweis auf geringere Schwankungen in den elektrischen Größen –, die absolute übertragene Energie jedoch niedriger blieb. Dies verdeutlicht, dass Stabilität nicht gleichbedeutend mit Gesamtleistung ist. Für die Praxis entscheidend ist, wie viel Energie tatsächlich beim Akku ankommt.
Die Forscher führen den Vorteil der runden Spule auf ihre rotationssymmetrische Feldverteilung zurück. Diese sorgt dafür, dass auch bei seitlicher Verschiebung noch ausreichend magnetischer Fluss mit der Empfängerspule gekoppelt bleibt. Zudem vermeidet die runde Geometrie scharfe Ecken, die bei quadratischen Spulen zu lokalen Feldkonzentrationen und erhöhten Verlusten führen können. Die Feldverteilung ist gleichmäßiger, was zu einem sanfteren Abfall der Effizienz bei zunehmender Abweichung führt.
Strukturelle Optimierung: Gezielte Anpassung der Wicklungsgeometrie
Nachdem die runde Spule als überlegen identifiziert wurde, setzte das Team an deren Optimierung an. Statt die Gesamtgröße oder die Windungszahl zu verändern – was die Integration erschweren könnte – konzentrierten sie sich auf die Wicklungsstruktur selbst.
Üblicherweise werden planare Spiralwicklungen mit konstantem Abstand zwischen den Windungen hergestellt. Die Forscher schlugen jedoch eine modifizierte Methode vor: die sogenannte „gleichmäßige Abstandsverringerung“. Dabei werden die letzten fünf Windungen der Spule mit einem um jeweils 0,2 cm verringerten Abstand zueinander gewickelt. Diese dichtere Packung im inneren Bereich verstärkt das Magnetfeld im Zentrum der Spule und verbessert die Selbstinduktivität sowie die gegenseitige Kopplung, ohne die ohmschen Verluste signifikant zu erhöhen.
Die Simulationsergebnisse zeigten eine deutliche Verbesserung: In zentrierter Position erreichte die optimierte Spule einen Kopplungskoeffizienten von 0,34 und einen Wirkungsgrad von 85,1 Prozent. Bei einer seitlichen Verschiebung von 10 cm blieb der Koeffizient bei 0,29, der Wirkungsgrad lag bei 75,8 Prozent. Damit war der Effizienzverlust deutlich geringer als bei der Standardrundspule, was auf eine verbesserte Robustheit hindeutet.
Auch bei 20 cm Verschiebung zeigte die optimierte Spule noch akzeptable Werte, obwohl hier ein stärkerer Rückgang einsetzte. Dennoch belegten die Ergebnisse, dass bereits eine kleine geometrische Anpassung der Wicklung eine erhebliche Steigerung der Fehlausrichtungstoleranz bewirken kann – ohne zusätzliche aktive Regelung oder komplexe Steuerung.
Einsatz von Ferritkernen: Magnetfeldbündelung durch E-förmiges Kernmaterial
Trotz der Fortschritte blieb ein Problem bestehen: Bei luftgekoppelten Spulen tritt ein erheblicher Teil des Magnetfeldes in die Umgebung aus. Dies führt nicht nur zu Energieverlusten, sondern auch zu erhöhten elektromagnetischen Störungen (EMV), die andere Systeme beeinflussen können. Um das Feld gezielt zu führen und zu bündeln, entschieden sich die Forscher für den Einsatz eines magnetischen Kerns.
Drei gängige Kernformen wurden in Betracht gezogen: I-förmig (flache Platten), U-förmig (teilweise umhüllend) und E-förmig (mit mittigem Schenkel und seitlichen Armen). Obwohl U-Kerne eine bessere Abschirmung bieten und I-Kerne kostengünstiger sind, zeigten E-förmige Ferritkerne die beste magnetische Leistung. Ihr Design ermöglicht es, den magnetischen Fluss über den zentralen Schenkel zu konzentrieren und über die seitlichen Arme zurückzuleiten, was die Kopplung deutlich verbessert.
Nach Abwägung von Kosten, Herstellbarkeit und Leistung fiel die Wahl auf einen E-förmigen Ferritkern. Der zentrale zylindrische Bereich hatte einen Radius von 4,5 cm, die Dicke betrug einheitlich 1 cm – sowohl im Mittelschenkel als auch an den Seiten. Das verwendete Ferritmaterial zeichnet sich durch hohe Permeabilität und geringe Wirbelstromverluste bei typischen Betriebsfrequenzen (im Bereich von 20–100 kHz) aus.
Mit dem Kern integriert wurden erneut Simulationen unter seitlicher Verschiebung durchgeführt. Die Ergebnisse waren beeindruckend.
Ohne Verschiebung stieg der Wirkungsgrad auf über 90 Prozent. Bei 10 cm seitlicher Abweichung erreichte das System eine Ausgangsleistung von 3.174,4 Watt bei einem Wirkungsgrad von 90,1 Prozent. Selbst bei 20 cm Verschiebung – ein Extremwert, der im Alltag selten erreicht wird – blieb die Leistung bei 2.996,4 Watt, der Wirkungsgrad lag weiterhin über 85 Prozent.
Diese Werte erfüllen und übertreffen die Anforderungen der Norm GB/T 38775.1-2020, die vorschreibt, dass kabellose Ladesysteme unter definierten Fehlausrichtungsbedingungen einen Wirkungsgrad von mindestens 85 Prozent erreichen müssen. Damit ist das System nicht nur effizient, sondern auch zertifizierungsfähig – ein entscheidender Schritt hin zur Serienreife.
Die Feldvisualisierungen zeigten, dass der E-Kern das Magnetfeld effektiv bündelt und Streufluss reduziert. Das Feld ist gerichteter und konzentrierter, was die Wechselwirkung mit der Empfängerspule auch bei Abweichung verbessert. Die Kombination aus runder Spule und E-Kern erzeugt zudem eine relativ flache Effizienzkurve im zentralen Bereich, was bedeutet, dass kleine Abweichungen kaum Einfluss auf die Leistung haben.
Auswirkungen auf die zukünftige Ladeinfrastruktur
Die Ergebnisse dieser Studie haben weitreichende Konsequenzen für den Aufbau einer flächendeckenden dynamischen Ladeinfrastruktur. Städte und Autobahnbetreiber, die über das Einbetten von Ladespuren nachdenken, müssen sich nicht auf extrem präzise Fahrzeugführung verlassen. Ein robustes Spulendesign wie das vorgestellte ermöglicht es, mit normalen Fahrverhalten auszukommen – ohne dass der Fahrer oder das Fahrzeugassistenzsystem permanent korrigieren muss.
Zudem verbessert der Einsatz von Ferritkernen nicht nur die Effizienz, sondern auch die elektromagnetische Verträglichkeit. Durch die gezielte Führung des Feldes entstehen weniger Störungen, was die Einhaltung strenger EMV-Vorschriften erleichtert – eine Voraussetzung für den Einsatz in öffentlichen Räumen.
Aus produktionstechnischer Sicht ist das Design skalierbar: Die modifizierte Wicklungsgeometrie lässt sich mit herkömmlichen Wickelmaschinen umsetzen, E-förmige Ferritkerne sind industriell verfügbar. Dies senkt die Hürde für die Serienfertigung und Integration in Serienfahrzeuge.
Wegbereiter für den Standard und die Serienanwendung
Die Übereinstimmung mit GB/T 38775.1-2020 ist ein entscheidender Vorteil. Als nationale Norm legt sie verbindliche Leistungsanforderungen fest, an denen Hersteller und Infrastrukturbetreiber sich orientieren müssen. Die Simulationen liefern damit eine validierte Designgrundlage für Unternehmen, die in diesen Bereich einsteigen wollen.
Darüber hinaus bietet die Methodik – die Kombination aus elektromagnetischer Feldsimulation und schaltungstechnischer Analyse – ein übertragbares Framework für zukünftige Entwicklungen. Ingenieure können damit neue Materialien, Spulenformen oder Kompensationsschaltungen unter realitätsnahen Bedingungen testen, bevor physische Prototypen gebaut werden.
Zwar beschränkt sich die aktuelle Studie auf statische Verschiebungsszenarien, doch die Grundlagen legen den Weg für dynamische Analysen frei – etwa unter Berücksichtigung von Fahrzeuggeschwindigkeit, Federungsbewegungen oder Fahrbahnunebenheiten. Zukünftige Systeme könnten sogar adaptive Anpassungen nutzen, doch die passive Robustheit des vorgestellten Designs reduziert den Bedarf an aktiven Regelungen erheblich.
Fazit: Ein Schritt zur nahtlosen Elektromobilität
Die Arbeit von Wang Xin, Zhao Weihua und Wei Junzhao zeigt, dass die Zukunft des kabellosen Ladens nicht unbedingt in komplexen aktiven Systemen liegt, sondern in intelligenten passiven Designentscheidungen. Durch die Neubewertung der runden Spule – oft als veraltet angesehen – und deren Kombination mit gezielter Wicklungsoptimierung und einem E-förmigen Ferritkern, gelang es, ein System zu entwickeln, das unter realen Bedingungen hocheffizient bleibt.
Ihre Forschung beweist, dass Robustheit gegenüber Fehlausrichtung kein Zufall, sondern Ergebnis durchdachter Ingenieurskunst ist. Und sie bringt die Vision von Autobahnen, die Fahrzeuge während der Fahrt laden, einen großen Schritt näher an die Realität.
Rundspulen-Design verbessert kabelloses Laden von E-Autos bei Fehlausrichtung
Wang Xin, Zhao Weihua, Wei Junzhao, School of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University
Journal of Xi’an Aeronautical University, doi: 10.3969/j.issn.1671-7449.2024.01.013