Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge

Transkript

1 Kooperationsforum Leistungselektronik Nürnberg, 21. Oktober 2013 Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge schnell sauber kontaktlos Schottkystrasse 10, Erlangen Tel.: 09131/

2 Tanken heute 50 Liter Benzin in knapp 3 Minuten getankt entsprechen einer Ladeleistung von rund 10 Megawatt! Mit gut 400 kwh erhält das Fahrzeug dabei Energie für km. Zeitverlust durch s Tanken kleiner 5 Minuten, bei einer Tankhäufigkeit von typischerweise 1x alle Wochen. 2

3 Das Tankszenario von heute für die Autos von morgen? Schnellladepunkte - d.h. täglicher Zeitverlust für s Anfahren, hohe Energiekosten 1) und eine teure, aufwändige Batteriekühlung nur für den Ladebetrieb, deutliche Einbußen an Batterielebensdauer, insbesondere bei Schockladen 3), Inkompatibilität zu nahezu allen Netzdienstleistungen (V2G), immenser, kaum refinanzierbarer Investitionsaufwand für die letzte Netzmeile, für Netz- und Ladeinfrastruktur. Schnellladen wird eine Nischenanwendung bleiben! 2) Warum also neuen Wein in alte Schläuche gießen und nicht Tanken neu denken! 1) der Ladewirkungsgrad sinkt mit steigendem Ladestrom dramatisch 2) z.b. für Autobahnrastplätze 3) mit größer 6C, d.h. für < 10 min. Vollladezeit 3

4 Tanken neu denken! Der Schlüssel: ein ubiquitärer Netzzugang zu Hause beim Einkaufen am Arbeitsplatz Vorteile Minimale Infrastrukturkosten 1) Maximierung von Ladewirkungsgrad und Batterielebensdauer Möglichkeit zur Vorkonditionierung von Fahrzeugbatterie und -innenraum Umfangreiche Netzdienstleistungen realisierbar (V2G) 1) intelligente 230V-Steckdose genügt besser Fraunhofer IISB Inductive Charging System 4

5 Laden über Kabel? Im Alltag keine wirkliche Option! Ausgesprochen unkomfortables Handling bei Nässe Kälte Dunkelheit Kurzzeitparkstops Anfällig gegen Vandalismus und Diebstahl Stolperfalle (Haftungsrisiko) 5

6 Anforderungen an ein kontaktloses Ladesystem Universell für alle Fahrzeugtypen Hohe Parkpositionstoleranz Keine beweglichen, verschleißbehafteten Teile Hoher Übertragungswirkungsgrad Bidirektionale Energieübertragung (+ paralleler Informationskanal) Geringes magnetisches Streufeld, kein zugänglicher Luftspalt Geringes fahrzeugseitiges Zusatzgewicht Niedrige Systemkosten 6

7 Kontaktloses Laden Platzierungsoption Unterboden Pick-up Batterie Primärspule Pick-up Batterie Primärspule Fahrzeugseitige Adaption des Pick-up Erhebliche Fahrzeug-Zusatzkosten Hohe Beschädigungs- und Korrosionsgefahr für die Positioniermechanik Einschränkungen im Unterbodendesign Fahrbahnseitige Adaption des Pick-up Sehr hohe Infrastrukturkosten Kritisch gegenüber Witterungseinfüssen (Vereisung, Überflutung) Mech. Belastungen (z.b. Überfahren mit LKW) Ohne Adaption: Nicht für alle Fahrzeugtypen, Sicherheitsprobleme, Dimensionen des Spulensystems 7

8 Primärspulen Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge: schnell sauber - kontaktlos Kontaktloses Laden Platzierungsoptionen Batterie Pick-up Front-(Heck-)seitige Übertragung Nicht für alle Parksituationen geeignet Kostengünstig und ohne mechanische Positioniereinrichtungen realisierbar Frontkennzeichenbereich ist fahrzeugtyp- und herstellerübergreifend relativ einheitlich Sehr hoher Übertragungswirkungsgrad, kein Luftspalt, vernachlässigbare Streufelder 8

9 Kontaktloses Laden Fraunhofer IISB Inductive Charging Concept Orthogonaler Spulensatz im Bereich des Frontkennzeichens und am Parkplatz Nur sich gegenüberliegende Spulen sind aktiv Parkassistent für automatisierte Endannäherung des Fahrzeugs auf Wandkontakt Vorteile Höchste Toleranz gegenüber unterschiedlichen Fahrzeughöhen und seitlicher Fehlplatzierung Keinerlei bewegliche, verschleißbehaftete Teile Kein zugänglicher Luftspalt, geringes magnetisches Streufeld Geringes Zusatzgewicht Hoher Energieübertragungswirkungsgrad Niedrige Systemkosten 9

10 Film 10

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12 Technische Daten Pick-up: 9 Spulen 1) Übertragungsleistung: 3 kw Frequenz: ca. 100 khz Wirkungsgrad: 93% 1) für 1-zeiliges Eurokennzeichen (520 x 110 mm 2 ) 12

13 230 V AC Netz Mikrocontroller Ansteuerelektronik Mikrocontroller Fahrzeugbatterie Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge: schnell sauber - kontaktlos Grundprinzip Induktor 1 2 n A Induktor 1 2 n B Resonanzwandler Induktoren (elektronisch) umschaltbar Leistungselektronik wird beidseitig nur einmal benötigt Schneller Suchlauf zw. Spalten- und Reihen- Spulen Nichtaktive Induktoren bleiben stromlos Minimales Streufeld, hohe Effizienz 13

14 Koppelfaktor k Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge: schnell sauber - kontaktlos Koppelfeld Ersatzschaltbild y-versatz L 1 - M L 2 - M M x-versatz k M L 1 L 2 Mit 9 Induktoren (fahrzeugseitig) und 5 Induktoren (stationär) kann ein Feld von 0,5 x 0,3 m 2 mit den für hohe Übertragungseffizienz erforderlichen Koppelfaktoren abgedeckt werden. Spulenabstand: 10 mm 14

15 Induktorfeld Aufbau und Simulation Al-Gehäuse Ferrit Spulen B-Feld mit Wirbelstromverlusten (farbige Flächen) Ferrit Al-Gehäuse 15

16 Stationäre Batterie Fahrzeugbatterie Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge: schnell sauber - kontaktlos Bidirektionale Variante Bidirektionaler Resonanzwandler HV + HV - Energie Ermöglicht Netzdienstleistungen (V2G) Besonders effizient und kostengünstig in -Netze integrierbar 16

17 Energy Backbone Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge: schnell sauber - kontaktlos Elektromobilität im intelligenten Stromnetz Micro-Grid A 1) Lokale Energieerzeugung 24 V Micro-Grid B Laden 20 kv~ kw Stationäre Speicher AC 230/400V AC Netz Micro-Grid C AC Laden AC Verbraucher Kontaktloses Laden 380 V HV Verbraucher 1) z.b. Haus, Wohnblock, Dorf, 17

18 Kontaktloses Laden muß nicht teuer sein! Beispiele Low-cost Induktionskochfelder, Reiskocher Anschluß: 230 V AC Leistung: Watt Endverkaufspreis: ab 30,- Euro 1) Bildquelle: LIDL Kontaktloser Ladepunkt Einsparung teuerer Elektromechanik (2x Ladestecker und -steckdose, Ladekabel, ) In Großserie werden kontaktlose Ladepunkte zu vergleichbaren Kosten wie konventionelle Ladepunkte realisierbar sein! 1) z.b. Angebot LIDL, September 2013: Euro 32,99 18

19 Kooperationsforum Leistungselektronik Nürnberg, 21. Oktober 2013 Batterieladetechnik für Elektrofahrzeuge schnell sauber kontaktlos Martin März, Christopher Joffe, Andreas Roßkopf Ein Projekt im Rahmen des EnergieCampus Nürnberg (EnCN) gefördert durch das Filmische Animationen Prof. Michael Jostmeier, Patrick McCue Projektgruppe Design des EnCN Technische Hochschule Georg-Simon Ohm Nürnberg 19