Leistungsoptimierung solarbetriebener Elektrofahrzeuge mit gekoppeltem Induktor Relift-Boost-Wandler

Sonnenlicht unterwegs

Elektrofahrzeuge versprechen sauberere Luft und leisere Straßen, benötigen aber nach wie vor viel Elektrizität. Diese Studie untersucht, wie sich mehr nutzbare Leistung aus Sonnenlicht für den Antrieb eines Elektroautos gewinnen lässt, während der Motor auch bei durchziehenden Wolken ruhig weiterläuft. Durch ein Umdenken sowohl der Elektronik zwischen Solarmodulen und Antrieb als auch der intelligenten Software, die sie steuert, zeigen die Autoren, wie solarbetriebene E‑Fahrzeuge effizienter, zuverlässiger und netzfreundlicher werden können.

Warum solarbetriebene Autos schwierig sind

Solarmodule sind als Energiequelle attraktiv, weil sie sauber, leise und zunehmend erschwinglich sind. Doch Sonnenlicht ist unbeständig: vorbeiziehende Wolken, Temperaturänderungen und Schatten von Gebäuden bringen ein Modul ständig von seinem besten Arbeitspunkt ab. Gleichzeitig verlangt ein E‑Motor nach gleichbleibend hoher Spannung, um sanfte Beschleunigung und vorhersehbares Fahrverhalten zu liefern. Traditionelle elektronische Wandler, die die vergleichsweise niedrige Spannung der Solarmodule auf das höhere Niveau für ein E‑Fahrzeug anheben, kämpfen unter diesen wechselnden Bedingungen oft mit begrenztem Spannungsverstärkungsvermögen, Energieverlusten in Form von Wärme und komplexen Regelungsanforderungen. Das kann zu verlorener Solarenergie, zusätzlicher Belastung von Bauteilen und einer stärkeren Abhängigkeit vom Stromnetz führen als nötig.

Ein neuer Leistungs‑„Aufheber“ zwischen Sonne und Motor

Um diese Lücke zu schließen, schlagen die Forschenden einen neuen DC–DC‑Wandler vor, den Coupled Inductor ReLift Boost (CIRB) Converter. Einfach ausgedrückt wirkt dieser Wandler wie ein kompakter, präzise abgestimmter Tritt, der die relativ niedrige Spannung der Solarmodule auf das deutlich höhere Niveau anhebt, das die Fahrzeugantriebselektronik benötigt. Anstatt sich auf sperrige Transformatoren oder mehrere hintereinandergeschaltete Stufen zu stützen, verwendet er zwei magnetisch gekoppelte Spulen sowie eine geschickte Anordnung von Kondensatoren und Schaltern. Diese Struktur verteilt elektrische Belastungen auf mehrere Bauteile, reduziert Stromwelligkeit und erreicht mit wenigen Teilen eine starke „quadratische“ Spannungsverstärkung. Simulationen und Hardware‑Tests zeigen, dass der Wandler etwa 110 Volt von den Modulen auf rund 600 Volt am Ausgang anheben kann, dabei geringe Energieverluste aufweist und schädliche Spannungsspitzen vermeidet.

Intelligentes Tracking des besten Sonneneinstrahlungspunkts

Die richtige Verschaltung der Hardware ist nur die halbe Miete; das System muss auch in jedem Moment entscheiden, wie stark der Wandler „angetrieben“ werden soll, um die maximale Leistung aus den Modulen zu holen. Diese Aufgabe, bekannt als Maximum Power Point Tracking, wird durch rasch wechselnde Wetterbedingungen erschwert. Die Autoren entwerfen ein zweistufiges künstliches neuronales Netzwerk, das zunächst aus gemessener Spannung und Strom die Sonnenintensität und Modultemperatur abschätzt und anschließend die ideale Betriebsspannung der Module prognostiziert. Um dieses digitale System scharf zu halten, stimmen sie seine internen Parameter mit einer Optimierungsmethode ab, die sich an den Flugmustern der Rußseeschwalbe orientiert — einem Meeresvogel, der weite Erkundungsflüge mit präzisen, spiralförmigen Angriffen auf Beute verbindet. Diese Kombination lenkt die Module schnell in ihren optimalen Bereich und erreicht eine Tracking‑Genauigkeit von etwa 99,89 % bei schneller Reaktion auf Änderungen der Einstrahlung.

Fahrzeug und Netz im Einklang halten

Über die Verbesserung der Solarstromgewinnung hinaus integrieren die Forschenden den Wandler in einen vollständigen Leistungsweg, der einen leistungsfähigen Permanentmagnetmotor, einen Wechselrichter zur Erzeugung von Drehstrom und einen Netzanschluss umfasst. Ein konventioneller PI‑Regler hält den Motor trotz Schwankungen der Solarleistung auf der gewünschten Drehzahl — in Tests etwa 1000 Umdrehungen pro Minute. Bei reichlich Sonnenlicht kann überschüssige Energie ins Netz gespeist werden; bei Wolken oder nachts zieht das System automatisch Energie aus dem Netz, um die stabile 600‑Volt‑DC‑Zwischenkreisspannung zu halten. Sorgfältige Filterung und Regelung sorgen für saubere Netzströme mit einer Gesamtoberschwingungsrate nahe 1 %, erfüllen übliche Anforderungen an die Netzqualität und verringern elektrische Störungen.

Was das für zukünftige Elektrofahrzeuge bedeutet

Zusammen genommen machen der neue Wandler und das Regelkonzept solarunterstützte E‑Fahrzeuge praktischer. Der CIRB‑Wandler erreicht eine Effizienz von etwa 96,96 %, bietet eine höhere Spannungsverstärkung als viele neuere Alternativen und kommt mit weniger Bauteilen aus. Das intelligente Tracking‑System erfasst nahezu die komplette verfügbare Solarleistung mit nur geringer Verzögerung, und die Netzanbindung stellt sicher, dass das Fahrzeug auch bei fehlender Sonne stabil weiterläuft. Obwohl das Design weiterhin Herausforderungen wie die sorgfältige magnetische Auslegung bei höheren Leistungsstufen und den Bedarf an guten Trainingsdaten für die neuronalen Netze mit sich bringt, weist es in Richtung von Fahrzeugen, die stärker auf Dach‑ oder Überdach‑PV‑Anlagen setzen und anspruchsvoller mit dem Stromnetz interagieren.

Zitation: Kanakaraj, M., Arul Prasanna, M. & Gerald Christopher Raj, I. Performance optimization of solar-energized electric vehicles using coupled inductor Relift boost converter. Sci Rep 16, 6959 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38342-9

Schlüsselwörter: solarelektrofahrzeuge, Leistungselektronik, Photovoltaik-Wandler, Maximum-Power-Point-Tracking, Integration in intelligente Netze