Höher integrierter Stromrichter Kombiniert kabelgebundenes und induktives Laden von Elektrofahrzeugen

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1 Höher integrierter Stromrichter Kombiniert kabelgebundenes und induktives Laden von Elektrofahrzeugen Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) ETG-Kongress 2011 Netzanbindung von E-Fahrzeugen Würzburg,

2 Übersicht Netzanbindungsmöglichkeiten in Deutschland Anforderungen an eine On-Board Ladeinfrastruktur Kurzvorstellung Projekt W-Charge Höher integrierter Stromrichter Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Netzanbindungsmöglichkeiten in Deutschland Kabelgebundenes Laden Quelle: Das Combined Charging System für alle Ladearten, Vortrag Dr. Heiko Dörr, Forum Elektromobilität: Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, Berlin

4 Netzanbindungsmöglichkeiten in Deutschland Kabelloses Laden einfach sicher komfortabel barrierefrei automatischer Ladeprozess erhöhte Nutzerakzeptanz erhöhte Netzverbindung Quelle: w-charge.de 4

5 Potenzial für Netzintegration von E-Fahrzeugen E-Fahrzeuge können die fluktuierende Energie-Produktion von erneuerbaren Energien speichern und ausbalancieren Aber nur bei Netzverbindung der E-Fahrzeugen Basierend auf Zahlen von: Mobilität in Deutschland

6 Anforderungen an eine On-Board Ladeinfrastruktur Kabellose Ladung -DC Ausgang Kabelgebundene Ladung -AC 1-phasig -AC 3-phasig Rückspeisung - kabellos - kabelgebunden ~ ~ ~ 3-4 Ladegeräte derzeit! 6

7 Kosten, Gewicht, Volumen Typische Verteilung von Bauvolumen und Materialkosten leistungselektronischer Wandler Quelle: VDE Studie Elektrofahrzeuge Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf Gewichts-, Volumen- und Kostenreduktion Mehrfachnutzung der gleichen Komponenten 7

8 Das W-Charge Projekt Entwicklung eines kabellosen, induktiven Energieübertragungssystem zur Ladung der Fahrzeugbatterie Integration in Demonstratoren (BEV und Plug-In-HEV) sowie Teststand Entwicklung einer multifunktionalen On-Board Ladeinfrastruktur (höher integrierter Stromrichter) Spule 8

9 Induktives Energieübertragungssystem f = 140 khz 230 V 50 Hz 16 A Gleichrichter + Filter Primär Inverter + Kompensation Stationäre Spule Pick-Up Kompensation + HF- Gleichrichter Ladegerät Spezifikation 1-phasiger Netzanschluss (230 V, 50 Hz, 16 A,max) Übertragbare Leistung: 3 kw Übertragungsfrequenz: 140 khz Luftspalt: 60mm-170mm Konform zur Anwendungsregel für das induktive Laden von E- Fahrzeugen (VDE-AR-E ) 9

10 Teststand Analyse von kabellosen Energieübertragungssystemen Mobiler Teststand mit Haltevorrichtung für den Pick-Up, Platz für die Messinstrumente und dem Test Equipment Positionierung im 3- dimensionalen Raum möglich Reproduzierbare Ergebnisse hinsichtlich Wirkungsgrad und Feldmessungen 10

11 Elektrische Anforderungen und Herausforderungen UDC [V] Quelle: wikipedia.org Udi UBat Netzsspannung 1 phasig (Nennspannung) Netzsspannung 3 phasig (Nennspannung) 100 V 120 V 110 V 190 V 120 V 200 V 125 V 208 V 127 V 240 V 220 V 277 V 230 V 380 V 240 V 400 V 415 V 440 V Quelle: kropla.com 11

12 Elektrische Anforderungen und Herausforderungen Last Batterie DC/AC- Wandler U Netz I Netz 325 V Peak 22,65 A Peak ~ ~ P Netz P Last 7,36 kw 0 kw Kompletter Batteriespannungsbereich Geringere Zwischenkreiskapazität Konstante Ladeleistung Einhaltung der Netzanschlussbedingungen durch PFC 12

13 Elektrische Anforderungen und Herausforderungen I DC U DC P ~ Kompletter Batteriespannungsbereich I DC = 18A, U DC = 560V, P = 10kW 13

14 Elektrische Anforderungen und Herausforderungen UDC [V] Uind UBat oder Kompletter Batteriespannungsbereich 14

15 Höher integrierter Stromrichter Energiefluss Batterie DC/DC- Wandler Bidirektionaler DC/AC + DC/DC Wandler KS Filter ENS Netz ~ Betriebsführung Kommunikation ~ AC/DC Wandler Kompensation Induktive Kopplung 15

16 Betriebszustände Rückspeisung Kabel Fail AUS Initialisierung AUS Standby AUS Ladung induktive Strecke Fail Dauerhafte Betriebshemmung Fail Ladung Kabel AUS Normaler Betriebszustand Fehlerbetriebszustand Unnormaler Betriebszustand 16

17 Topologie DC/DC Wandler DC/AC bzw. DC/DC Wandler KS 1 L 1 L 2 L 3 KS 2 N DC +DC 17

18 Topologie 3-phasig kabelgebunden DC/DC Wandler DC/AC bzw. DC/DC Wandler KS 1 L 1 L 2 L 3 KS 2 N DC +DC 18

19 Topologie 1-phasig kabelgebunden DC/DC Wandler DC/AC bzw. DC/DC Wandler KS 1 L 1 L 2 L 3 KS 2 N DC +DC 19

20 Topologie 3-phasig kabellos DC/DC Wandler DC/AC bzw. DC/DC Wandler KS 1 L 1 L 2 L 3 KS 2 N DC +DC 20

21 Kenndaten Labormuster Kabelgebundene Anbindung 3-phasige Ladung 3-phasige Rückspeisung 1-phasige Ladung Kabellose Anbindung DC-Weiteingangsspannungsbereich (10 kw) (10 kw) (3 kw) (3 kw) Kommunikation (CAN) BMS DC/DC Wandler DC/AC bzw. DC/DC Wandler KS Fahrzeugmanagement 1 L 1 L 2 L 3 KS 2 N DC +DC 21

22 Zusammenfassung Netzanbindungsmöglichkeiten in Deutschland zukünftig kabellos sowie kabelgebunden Mehrfachnutzung von Komponenten im Fahrzeug Kosten-, Volumen- und Gewichtsreduktion Höher integrierter Stromrichter kann eine 1-phasige Ladung, 3-phasige Ladung und Rückspeisung sowie induktive Ladung mit den gleichen Komponenten durchführen. 22

23 Ausblick Erweiterung der Regelung zur Bereitstellung eines Inselnetzes Ausbau des Systems zur Anbindung an ein Splitphase-Netz Durchführung von Feldtests 23

24 Kontakt Fraunhofer IWES Königstor Kassel Tel.: Das Projekt W-Charge ist gefördert durch: Projektpartner: 24