Elektromobilität Erneuerbare Energien

Transkript

1 Technische Universität München Vorlesung Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik Elektromobilität Erneuerbare Energien Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Verhalten menschlicher Gesellschaft

3 Verhalten menschlicher Gesellschaft

4 Verhalten menschlicher Gesellschaft also gut wir wollen alle mobil sein dann aber elektrisch ohne die Luft zu verpesten Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

5 es gab selten eine spannendere Zeit Elektroingenieur zu sein das Elektro-Auto das ist unsere Aufgabe!

6 Waren die Elektrofahrzeuge im Jahr 2003 akzeptabel?? auch wenn ein Umdenken erforderlich ist, gehört es zur Verantwortung der Ingenieure, akzeptable Lösungen zu erarbeiten!!!

7 Waren die Elektrofahrzeuge im Jahr 2003 akzeptabel?? wohl eher nicht!! Was geschah mit den Elektrofahrzeugen aus dem Jahr 2003?? Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

8 Was geschah mit den Elektrofahrzeugen aus dem Jahr 2003?? Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

9 Welche Autos waren im Jahr 2003 akzeptabel?? wir Ingenieure haben noch viel Kreativität zu entfalten es gehört zu unserer Verantwortung, akzeptable Lösungen zu erarbeiten!!! Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

10 unsere Gesellschaft hat das Elektrofahrzeug noch nicht als gleichwertig akzeptiert!! aber auch unsere Automobil-Industrie steht nicht wirklich dahinter das ist daran zu erkennen, wie Werbung gemacht wird

11 unsere Gesellschaft hat das Elektrofahrzeug noch nicht als gleichwertigwerbung für das akzeptiert!! Elektrofahrzeug aber auch unsere Automobil-Industrie steht nicht wirklich dahinter vielleicht auch so Werbung für attraktive Fahrzeuge das ist daran zu erkennen, wie Werbung gemacht wird Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

12 unsere Gesellschaft hat das Elektrofahrzeug noch nicht als gleichwertigwerbung für das akzeptiert!! Elektrofahrzeug aber auch unsere Automobil-Industrie steht nicht wirklich dahinter vielleicht auch so Werbung für attraktive Fahrzeuge das ist daran zu erkennen, wie Werbung gemacht wird Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

13 selbst bei Siegerehrungen von Automobilrennen sieht man den Unterschied!! auch hier ist ein Umdenken erforderlich! Siegerehrung bei Formel 1 Siegerehrung bei Elektrofahrzeugen

14 Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA Fahrer von Hybridfahrzeugen verfügen über ein vergleichsweise hohes Einkommen verfügen über einen überdurchschnittlich hohen Schulabschluss sind mit ihrer Entscheidung für ein Hybridfahrzeug 100% zufrieden

15 wie bei allen Fahrzeugen, sind Elektro- und Hybridfahrzeuge ein Status- und Imagesymbol für den Fahrer Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

16 das ist eine dankbare Aufgabe von uns Ingenieuren! Umdenken ist erforderlich! Wir müssen das Elektrofahrzeug nicht nur technisch verbessern wir müssen auch das Image des Elektrofahrzeugs normalisieren Wir müssen vor allem die Akzeptanz in der allgemeinen Bevölkerung erhöhen Wir müssen aber auch die Akzeptanz auch in der Industrie erhöhen Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA

17 Source: Martin Eberhard Keynote Silicon Valley goes Automotive How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks on ECCE 2009, San José, USA ein Beispiel für eine notwendige technische Verbesserung : die vollständige Ladung der Batterie (in ca Minuten) wäre kein Problemmit diesem Kabel dauert für die Batterie die vollständige Ladung der Batterie > 8 h

18 das ist eine (dankbare) Aufgabe von uns Ingenieuren! allerdings braucht man hierzu ein wesentlich dickeres Anschlusskabel Ungelöste Probleme : die Handhabung die Infrastruktur ist das akzeptabel??

19 das ist eine (dankbare) Aufgabe von uns Ingenieuren! allerdings braucht man hierzu ein wesentlich dickeres Anschlusskabel Ungelöste Probleme : die Handhabung die Infrastruktur ist das akzeptabel?? die vollständige Ladung der Batterie (in ca Minuten) wäre kein Problem für die Batterie wir Ingenieure haben noch viel Kreativität zu entfalten das treibt den Fortschritt an, und es gehört zu unserer Verantwortung, akzeptable Lösungen zu erarbeiten!!!

20 ein großer Automobilkonzern hat das ebenfalls bereits erkannt und wirbt hiermit um Mitarbeiter

21 Ladetechnik/Infrastruktur ohne Infrastruktur keine Elektromobilität Elektromobilität erneuerbare Energien

22 Infrastruktur wie lässt sich das Henne Ei Problem lösen? Fahrzeug Infrastruktur was braucht man zuerst??? Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

23 Elektromobilität erneuerbare Energien global gesehen macht Elektromobilität natürlich erst dann wirklich Sinn wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen stammt! Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

24 aber unabhängig hiervon Quelle : Robert Schätzke - Virtuelles Kraftwerk als Zukunftsvision? Herausforderungen von der Grundlagenforschung bis zur Umsetzung; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

25 aber unabhängig hiervon wo kann ich mein Elektrofahrzeug laden? Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

26 wo kann ich mein Elektrofahrzeug laden? dabei ist der Anteil der Energie- bzw. Stromkosten fast vernachlässigbar viel entscheidender sind die Kosten des (elektrischen) Energiespeichers im Fahrzeug! Wesentlich für die Frage der (Gesamt-)Kosten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist die Frage : Wie bekomme ich die Energie in das Fahrzeug? (und was kostet das?)

27 Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

28 Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

29 Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

30 Öffentlich Privat Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

31 Lade-Elektronik mobil stationär Fragen aber da ist noch die Sache mit dem Gewicht Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

32 Ladesäulen heute und in Zukunft mit Ladesäulen zu Hause oder öffentlich wird experimentiert Quelle : Heiko Herchet - Sichere und intelligente Ladung: OnBoard Charger als Schlüsselelement; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

33 Ladesäulen mit Lastverteilung und Rückeinspeisung mit Ladesäulen zu Hause oder öffentlich wird experimentiert später Quelle : Robert Schätzke - Virtuelles Kraftwerk als Zukunftsvision? Herausforderungen von der Grundlagenforschung bis zur Umsetzung; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

34 geeignete (Haushalts-)Steckdosen Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

35 geeignete (Haushalts-)Steckdosen Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

36 Charger in Household Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

37 Wallbox (Heiminstallation) Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

38 (DC-)Charger in Public Stromzwischenkreisumrichter (CSI)?? später Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

39 Ladetechnik/Infrastruktur: kann uns die Deutsche Bahn helfen??? die haben doch genug Strom!!!

40 Quelle : Steffen Sauerbrei - Blick in die elektromobile Praxis; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

41 Ladetechnik/Infrastruktur: Batterie-Wechselstationen

46 Ladetechnik/Infrastruktur: lokale Zwischenspeicher

47 Motivation (Beispiel aus der Industrie) Material Handling and Processing system with Short Primary Linear Motors die notwendige Energie wird berührungslos auf die Fahrzeuge übertragen Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

48 General Aspects - The costs can be reduced considerably by using Linear Induction Motor (LIM) at the transporting section Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM) at the processing station - Design of a Transition Control Strategy at the Border (LIM PMLSM) - With Primary as an Active vehicle: Energy and Information must be transferred Contactless (No cables and brushes) - The Contactless Energy Transmission has peak power limitation on-board energy storage (in this case with Ultracapacitors) to provide the Peak of Power (Accelerating) to absorb the Braking Energy this can Reduce the Size and Cost of the contactless system Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

49 Combined transportation and processing of material using active vehicle with contactless energy transmission (and passive track) Passive track (induction rail) Mobile DC-DC converter Bidirectional DC-DC converter Ultracapacitor Passive track (stationary magnets) ZOOM Stationary Medium frequency Inverter Litz Cable Inverter berührungslose Energieübertragung Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

50 Quick Charging (CHAdeMO Standard) Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

51 Quick Charging (CHAdeMO Standard) Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

52 Vorschlag zum Ausbau der Ladeinfrastruktur Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

53 Ladetechnik/Infrastruktur: Photovoltaik

54 Elektromobilität erneuerbare Energien zur Erinnerung!!! global gesehen macht Elektromobilität natürlich erst dann wirklich Sinn wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen stammt! Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

55 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen Spannung [V] je nach Sonneneinstrahlung verschiebt sich die Kennlinie nach oben oder nach unten die Arbeitspunkte maximaler Leistung liegen hier der Arbeitspunkt maximaler Leistung (maximum power point) verändert sich mit dem Sonnenlicht und wird daher mit Leistungselektronik nachgeregelt (MPPT Maximum Power Point Tracking) Erzeuger-Zählpfeilsystem!

56 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen je nach Sonneneinstrahlung verschiebt sich die Kennlinie nach oben oder nach unten in diesem Bereich ist die Kennlinie wie eine Stromquelle sogar ziemlich ideal in diesem Bereich ist die Kennlinie eher wie eine Spannungsquelle das allerdings nicht ganz so ideal Spannung [V] Erzeuger-Zählpfeilsystem!

57 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen Spannung [V] je nach Sonneneinstrahlung verschiebt sich die Kennlinie nach oben oder nach unten die maximale Leistung kann an diesem Punkt abgegriffen werden dieser ist allerdings im Betrieb nicht konstant Wenn die maximal mögliche Leistung genutzt werden soll, darf nichtdie Kennlinie der Solarzelle sondern es muss die Kennlinie der Last angepasst werden mit einem DC/DC-Wandler Erzeuger-Zählpfeilsystem!

58 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen wie soll die Last sich verhalten??? wie eine Stromquelle??? zur Erinnerung!!! Arbeitspunkt? Spannung [V] das geht nicht!

59 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen wie soll die Last sich verhalten??? wie eine Spannungsquelle??? zur Erinnerung!!! Arbeitspunkt? Spannung [V] das geht, wird im Grenzbereich (rechts) allerdings schwierig!!!

60 Strom [A] Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen wie soll die Last sich verhalten??? am besten wie ein Widerstand!!! Arbeitspunkt? das geht Spannung [V]

61 MPPT Structure I PV S L I L PV generator V PV C L C V L R L V PV I PV Duty Ratio DSP, interface, and driver circuits Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne) Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

62 MPPT Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne) Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

63 MPPT Algorithms Mapping or Model Based algorithms A model of the system is developed to map the operating characteristics and identify the MPP Simple models are not very effective More complex models require significant computational resources and are site specific Not suitable for commercial applications Constant voltage algorithm Hill climbing algorithms Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne) Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

64 Hill Climbing MPPT Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne) Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study