ELEKTRONIK: MEHR ALS NUR REKUPERIEREN SYSTEME, KOMPONENTEN UND TECHNOLOGIEN FÜR HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGE

Transkript

1 SYSTEME, KOMPONENTEN UND TECHNOLOGIEN FÜR HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGE ENERGIE Egal ob drahtlos oder an der Säule: Intelligente Lösungen für das Laden. LEICHTBAU Faserverstärkte Kunststoffe und Organobleche für die Serie. ELEKTRONIK: MEHR ALS NUR REKUPERIEREN

2 4 Inhalt Februar 2013 emobility tec 01/2013 inhalt Märkte + Technologien 6 Meldungen Nachrichten aus der Welt der Elektromobilität 10 Elektrischer Hochvoltheizer Ohne die Hitze eines Verbrennungsmotors sind neue Wärmequellen gefragt. Webasto hat hierzu verschiedene Lösungen im Portfolio. Statt PTC setzt die Firma auf einen Schicht-Heizer. Messen + Kongresse Kompetenztreffen E-Moblität Traditionell ab Aschermittwoch fanden sich die Protagonisten der Elektromobilität in Köln ein, zum Kompetenztreffen des ZVEI und der gleichzeitig stattfindenden Elektro:mobilia. 16 Reif für die Benchmark Entwickler arbeiten mit viel Know-how an neuen Lösungen für verbesserte Antriebskonzepte. Im Rahmen der ecartec in München standen zuletzt technologische Ansätze wie Transversalfluss oder Radnabe zur Diskussion. 20 Strom ohne Kabel Bei elektrischen Zahnbürsten ist induktives Laden längst Standard. Auch beim Elektroauto wäre das kontaktfreie Laden eine benutzerfreundliche Lösung. Die Redaktion war in London beim Startschuss für die erste WEVC-Flotte dabei. 26 Radnabenmotor für Hybride Mit dem Einbau neuer Elemente in bestehende Konstruktionen wollen Automobilhersteller die CO 2 -Emissionen senken. Recht einfach geht das zum Beispiel mit Radnabenmotoren. 28 Laden im Mode 2 Mennekes ist als Entwickler des deutschen Normentwurfs für Ladestecker ein Begriff. Gemeinsam mit Siemens hat die Firma nun Ladekabel im Mode 2 entwickelt, gemacht für haushaltsübliche Schuko-Steckdosen. 32 Nicht alle auf einmal Strom einfach nur tanken war gestern: Die Zukunft beim Aufladen von Elektrofahrzeugen heißt intelligentes Lastmanagement. So lässt sich eine ganze Flotte mit Energie versorgen und für alle Autos der günstigste Strompreis nutzen. 36 Netzrückwirkungen von E-Mobilen Dass große Lasten die öffentliche Stromversorgung beeinträchtigen können, weiß jeder Elektroingenieur. Doch wie schaut es beim Laden von Elektrofahrzeugen aus? Unser Autor hat nachgemessen und teils Erstaunliches ermittelt. Software + Elektronik 40 ABS beim Rekuperieren Bosch zeigt, wie es möglich ist, bei maximaler Rekuperation eine bestmögliche Fahrdynamik zu erzielen und eine ABS- Funktionalität auch ohne hydraulisches Bremsen umzusetzen. 44 Autonomes Elektrofahrzeug Navia soll im Nahverkehr rund um die Uhr funktionieren, wenn es induktiv an den Haltestellen lädt. Wir berichten von der ersten öffentlichen Präsentation. 46 Thermisches Management Batterien arbeiten nur in einem engen Temperaturfenster optimal. Software zur Strömungssimulation hilft bei der Dimensionierung und Parametrierung der passenden Akku-Klimatisierung. Rubriken / service messe 03 Editorial 66 Impressum 66 Verzeichnisse 16 Elektro:mobilia Am 13. und fand in Köln wieder die Elektro:mobilia statt. Der Veranstalter konnte über 600 Fachbesucher und Kongressteilnehmer begrüßen.

3 36 emobility tec 01/2013 Schmutziger Strom Netzrückwirkungen von E-Mobilen Dass große Lasten wie Elektromotoren die Qualität der öffentlichen Stromversorgung beeinträchtigen können, weiß eigentlich jeder Elektroingenieur. Auch bei Spannungswandlern ist Power Factor Correction eine anerkannt wichtige Aufgabe. Doch wie schaut es beim Laden von Elektrofahrzeugen aus? Wer muss hier das Netz sauber halten? Unser Autor hat in einer großen Versuchsreihe nachgemessen und teils Erstaunliches ermittelt. Autor: Prof. Dr.-Ing. Peter A. Plumhoff keywords Ladetechnik / Spannungswandler / Netzrückwirkung / Power Quality / Leistungsfaktor / DIN EN Beim Laden im favorisierten Mode 3 ist das E-Fahrzeug an einer Ladestation angeschlossen; der Typ-2-Ladestecker stellt neben der Energieübertragung auch eine Kommunikationsverbindung her. Wer dagegen auf Mode 2 setzt, um an einer simplen Schuko-Steckdose zu laden, braucht ein Ladekabel mit entsprechender Intelligenz. Eine ins Kabel eingebundene Box überwacht den Vorgang und kommunziert mit dem Fahrzeug. In beiden Fällen gilt es, die technischen Anschlussbedingungen der Energieversorger einzuhalten. Dabei stellt sich die Frage: Wer sorgt für die Strom- und Spannungsqualität? Der Ladesäulen- oder der Fahrzeughersteller? Der Betreiber der Säule oder E-Mobil-Besitzer? Beim Mode 2 vielleicht auch der Kabelhersteller? Die Umwandlung von Wechselstrom aus dem Energieversorgungsnetz in Gleichstrom für die Batterie kann Netzrückwirkungen hervorrufen, Strom und Spannung sind dann nicht mehr sinusförmig. Da es sich hier um etliche Kilowatt handelt, ist dies ein wichtiger Aspekt. Normgerecht Die Norm ermöglicht Wechselspannungen bis 690 V und Gleichspannungen bis 1500 V. Mit einem Typ-2-Stecker in Mode 3 sind einphasig (230 V) 3,7 kw und dreiphasig (400 V) 43,5 kw möglich. Auch eine Gleichspannungsverbindung bis 38 kw soll es in Zukunft geben. Um zu ermitteln, welche Rückwirkungen bei aktuellen Fahrzeugen und Ladesäulen tatsächlich auftreten, misst die Fachhochschule Bingen seit über einem Jahr die Ströme und Spannungen und die daraus resultierenden Größen. Zum Einsatz kommen dabei ein Power-Quality-Interface Typ PQI-DA und ein Netzanalysator PQ-Box 100 der Firma A. Eberle. Die Geräte erfüllen die Anforderungen der Messgerätenorm IEC (2008) für ein Klasse-A-Gerät. In der DIN EN sind die Merkmale der Versorgungsspannung am Übergabepunkt vom Kunden in das öffentliche Niederspannungsnetz beschrieben. Der Verzerrungsfaktor der Spannung darf 8 % betragen. Bei den seit gut einem Jahr stattfindenden Messungen ließen sich keine signifikanten Rückwirkungen auf die Spannung feststellen. Beim Strom sieht die Lage anders aus. Die zweite Spalte von Tabelle 1 fasst die Grenzwerte für Oberschwingungen zusammen, die laut DIN EN für Geräte mit einem Bemessungsstrom von kleiner 16 A gelten. Die Norm bezieht sich dabei auf Einzelgeräte für den Anschluss an das öffentliche Netz. Geräte, die diese Norm erfüllen, dürfen an das öffentliche Netz angeschlossen werden. Bild 1 zeigt den Ladestrom eines E-Mobils. Während der Ladedauer von 5,5 Stunden ist der Strom mit etwa 10 A konstant. Die Ein-Minuten-Mittelwerte des Effektivwertes sind nahezu kon-

4 emobility tec 01/ Tabelle 1 Störaussendungsgrenzwerte und gemessene Ströme Harmonische Zulässiger Strom in A Gemessener Strom in A 3 2,3 6,5 5 1,14 4,5 7 0,77 2,5 9 0,4 1,3 11 0,33 1,0 13 0,21 0,8 Quelle: Muterstext muss noch geschrieben werden Bild: Davidus - Fotolia

5 38 emobility tec 01/ / Ladevorgang mit konstantem Stromeffektivwert; 1-min-Werte. 2 / Beginn eines Ladevorganges. 10-ms-Effektivwerte des Stromes; die ersten 20 s sind dargestellt. 3 / Einschaltspitze, zeitlicher Verlauf der Augenblickswerte; 0,6 s sind dargestellt. 4 / Nahezu sinusförmiger Ladestrom. 5 / Ende des Ladevorganges; 10-ms-Effektivwerte des Stromes; 10 s sind dargestellt. 6 / Ladevorgang mit abfallendem Stromeffektivwert; 1-min-Werte. 7 / Ladeleistung; 1-min-Effektivwerte. Wirk-, Bild- und Scheinleistung sind dargestellt. 8 / Ladungserhaltung, Stromeffektivwert; 1-min-Werte. stant; was man dem Verlauf nicht entnehmen kann, ist der überlagerte transiente Strom. Schaut man sich den Ladevorgang in Bild 1 genauer an, dann erkennt man in Bild 2, dass zu Beginn des Ladevorganges eine Einschaltspitze von fast 9 A Effektivwert entsteht. Außerdem ist im Bild 2 zu sehen, dass dem Ladedauerstrom von etwa 10 A ein transienter Vorgang mit Werten zwischen 8 und 14 A überlagert ist. Dieser transiente Strom kann bei einer durch andere Verbraucher belasteten Leitung zur Auslösung des Leistungsschutzschalters führen. Lastspitzen und Blindleistung Die Effektivwert-Einschaltspitze aus Bild 2 von ungefähr 9 A ist als Verlauf der Augenblickswerte im Bild 3 dargestellt. Diese Einschaltspitze kann bei einer vorbelasteten Leitung zur Unterbrechung führen und somit das Laden verhindern. Zwischen den transienten Vorgängen, die dem 10-A-Effektivwert überlagert sind und ungefähr alle acht Sekunden auftreten, fließt ein fast sinusförmiger und somit normgerechter Strom, wie in Bild 4 zu sehen ist. Am Ende des Ladevorganges wird der Strom stufenweise reduziert, wie Bild 1 schon andeutet. Der im Bild 5 genauer dargestellte Strom führt zu einer Ladewirkleistung von 2,3 kw; dabei wird eine Blindleistung von 0,3 kvar benötigt. Im Bild 6 ist der Ladevorgang eines zweiten E-Mobils über ungefähr sechs Stunden dargestellt. Für knapp vier Stunden ist der Effektivwert des Stromes nahezu konstant mit einem Wert von 12 A. Hier ist kein transienter Vorgang überlagert. In den letzten zwei Stunden des Ladevorganges nimmt der Strom allmählich bis auf 1,5 A ab. Der Ladevorgang des zweiten E-Mobils führt zu einer Wirkleistung von 1,7 kw, wobei eine Blindleistung von 2 kvar auftritt. Der Leistungsfaktor Lambda ist gleich 0,66. Es handelt sich hierbei um fast reine Oberschwingungsblindleistung. Der Verzerrungsfaktor THD der Spannung beträgt 2,5 %,

6 emobility tec 01/ Alle Bilder: Prof. Plumhoff 7 8 der des Stromes liegt bei 105 %. Die zulässigen Grenzwerte werden in diesem Fall weit überschritten, wie die dritte Spalte in Tabelle 1 zeigt. Der gemessene Gesamtstrom I ges beträgt hier 11,7 A; der THD A = 8,6 A; I 1 = 8,0 A. Wären drei Fahrzeuge mit so großen Werten an Oberschwingungen gleichzeitig an einem Drehstromnetz angeschlossen, jedes an einem anderen Außenleiter, dann würde der Strom im Neutralleiter fast 20 A betragen. Ist ein Ladevorgang abgeschlossen, die Verbindung zum Netz aber nicht getrennt, dann fließt ein Strom zur Ladungserhaltung. Dieses kann ein sehr kleiner dauerhafter Strom im Milliamperebereich sein oder aber, wie im Bild 8 zu sehen, ein Nachladen durch einen Stromfluss von 2,5 A für die Dauer von 40 Minuten. Zwischenergebnis Die hier gezeigten Resultate sind ein Teil der bis heute erfolgten Auswertungen von über 400 Datensätzen von elf Fahrzeugtypen, die fast immer über einen Schuko-Stecker, nur selten mittels Typ-2-Stecker geladen wurden. Es gibt keine Erfahrungen mit Gleichspannungsladevorgängen. Beim Laden von Elektromobilen gibt es derzeit keine erkennbaren Rückwirkungen auf den Spannungsverlauf. Zu Beginn eines Ladevorganges treten je nach Fahrzeug aber sehr große Stromspitzen auf; während des stundenlangen Ladens sind transiente Stromschwingen von einigen Ampere möglich. Die Stromspitzen und das transiente Verhalten können zum Abbruch eines Ladevorganges führen. Die Oberschwingungsströme einzelner Mobile können weit oberhalb der zulässigen Grenzen liegen. Ein Anschluss an das öffentliche Netz ist dann nicht zulässig. Der Strom im Neutralleiter kann größer als die Außenleiterströme sein, was bei der Dimensionierung zu beachten ist. Handlungsbedarf Die Messungen zeigen, dass für den unkomplizierten Einsatz von Elektrofahrzeugen durchaus noch Handlungsbedarf besteht. Egal ob in der Ladeelektronik im Fahrzeug oder in der Ladesäule: Eine Instanz muss letztlich für Power-Quality-Korrekturen sorgen, sonst bremst ausgerechnet das Ladeverhalten die Zukunft der E-Mobile. (lei) Autor Prof. Dr.-Ing. Peter A. Plumhoff Professor für Elektrische Energietechnik an der Fachhochschule Bingen.