Immer mehr Anwendungen werden heute als batterieelektrische Systeme ausgeführt, um höhere Mobilität bei gleichzeitig geringeren Emissionen zu ermöglichen. Dabei werden sowohl die Batterien als auch die Ladesysteme je nach Endanwendung vor unterschiedliche Herausforderungen gestellt.
Im Fachartikel „Die Zukunft der Ladetechnik“ beschreiben Tobias Fuhr und Tobias Hermann den generellen Aufbau von Ladegeräten, die speziellen Herausforderungen in verschiedenen Anwendungen, sowie die zukünftigen Trends im Bereich der Ladetechnik.
Zudem wird ein Ausblick auf das drahtlose Laden von Elektrofahrzeugen gewährt, eine Technik die neben höherem Komfort, vor allem eine Grundvoraussetzung für komplett autonome Elektromobilität darstellt.
Wiederaufladbare Energiespeicher (Akkus) in der heutigen Zeit
Wiederaufladbare Energiespeicher haben im Laufe der vergangenen Jahre immer mehr an Bedeutung gewonnen und Ihren Platz in unserem Alltag gefestigt. Sie lassen sich etwa in Smartwatches, Handys, Stehroller, Laptops sowie Autos und Gabelstaplern wiederfinden. Selbst Lastwagen setzen immer mehr auf einen batterieelektrischen Antrieb. Das gleiche gilt auch für zahlreiche industrielle Anwendungen. Durch diese immense Präsenz rückt die Ladetechnik für Batterien dementsprechend immer mehr in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, ganz gleich ob es sich beim benötigten Ladegerät um Spannungen im niedrigen Milliamperbereich handelt, oder mit hoher Spannung von hunderten Amper.
„One Size Fits All“ im Bereich der Ladetechnik
Wie Sie es sich sicher bereits denken können, gibt es beim Thema Ladetechnik kein Ladegerät, dass für alle Einsatzzwecke konzipiert werden kann. Dies liegt allein schon an den unterschiedlichen Anforderungsprofilen der verschiedenen Anwendungen. Je nach gewünschter Anwendung ist eine Auslegung der Schaltungstechnik, der verwendeten Halbleiter und der Mechanik notwendig. Grund hierfür sind die unterschiedlichen Ziele. Stellt man beispielsweise Ladegeräte für den industriellen Einsatz denen der Elektromobilität gegenüber, so werden im industriellen Bereich Anforderungen wie eine lange Lebensdauer und hohe Leistung in rauen, aber meist gut vorsehbaren Umgebungsbedingungen benötigt.
In der Elektromobilität hingegen, gelten andere Anforderungen. So müssen die Ladeapparaturen in einem weiten Temperaturbereich funktionieren und einem hohen Vibrationsstress standhalten können. Da es weltweit je nach Region unterschiedliche Netzspannungen gibt, muss auch hier eine Kompatibilität gegeben sein. Hinzu kommt dann natürlich noch die hohe Anforderung an eine EMV-Störsicherheit, welche die gefertigten Produkte im jeweiligen Umfeld erfüllen müssen. Es gibt jedoch auch Gemeinsamkeiten zwischen den Anforderungen der Ladetechnik für die Industrie und Elektromobilität. Beide Branchen fordern eine generelle hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Die Ladezeiten sollten möglichst kurz sein und die Handhabung möglichst einfach.
Die Topologie der Elektronik
Einen entscheidenden Einfluss darauf, welche Anforderungen letztendlich ein Ladegerät erfüllen kann, hat die Topologie bzw. das Konzept der Elektronik. Hierbei wird zwischen konduktivem und induktivem Laden unterschieden. Beim konduktivem Laden kommt die Verwendung eines Ladekabels zum Einsatz. Nach der IEC-Norm 61851-1 wird hier zwischen vier verschiedenen Modi, je nachdem welches Anforderungsprofil (Spannung, Strom, Leistung) von der Ladetechnik benötigt wird, unterschieden. Beim induktiven Laden hingegen kommt eine Ladespule zum Einsatz, welche das gewünschte induktive Verfahren – und damit auch die Ankopplung an das Netz – ermöglicht.
Das induktive Laden
In der Praxis beschränkt sich das aktuelle induktive Laden, auch bekannt als „Wireless Power Transfer“ (WPT) auf Geräte der unteren Leistungsskala. Bei höheren Leistungen wie etwa bei Fahrzeugen, werden die Ladetechniken im Standard SAE J2954 definiert. Auch in diesem Bereich sind bisher vier Leistungsklassen vorgesehen (WPT 1 bis 4). Die Obergrenze hierbei liegt derzeit bei einer Ladeleistung bis 22 KW mit Speisung aus dem Drehstromnetz.
PFC-Stufen | Die Schnittstelle zum Netz
Die Leistungsfaktorkorrektur (Power Faktor Correction, kurz PFC) spielt eine wichtige Rolle in der Ladetechnik. Ab einer gewissen Leistung (75 Watt) gelten gesetzliche Bestimmungen, welche eine Unterdrückung unerwünschter Oberwellen und Blindleistungen verhindern sollen. PFC hat aber auch die Aufgabe, elektromagnetische Störaussendungen zu reduzieren. Des Weiteren müssten Systemdesigner ohne eine solche Korrektur, Bauelemente und Geräte der Stromversorgung deutlich größer und umfangreicher gestalten. In der Praxis wird auch hier nach vier verschiedenen Betriebsmodi von Seiten der Entwickler unterschieden.
DC/DC-Wandler im Zentrum der Entwicklung bei der Ladetechnik
Bei der Umsetzung von Gleichspannungspegeln stehen neben der PFC-Schaltungstechnik, DC/DC-Wandler im Mittelpunkt der Entwicklung von Ladegeräten. Damit der Gebrauch einer bestimmten Ladetechnik auch für den Benutzer sicher ist, wird in vielen Anwendungsfällen eine Potentialtrennung (galvanische Trennung) zwischen dem Eingangs- und Ausgangsstromkreis notwendig. Bei manchen Geräten kann auch eine doppelte oder verstärkte Isolation erforderlich sein. Dies hängt immer mit der jeweiligen Schutzklasse zusammen.
Zwei Konzepte der galvanischen Trennung
Bei den gängigen galvanisch getrennten Wandlern lassen sich grundsätzlich folgende zwei Konzepte bzw. Systeme unterscheiden:
1. Pulsweitengesteuerte Systeme:
- bieten eine hohe Robustheit
- bieten einen weiten Regelbereich mit hoher Regeldynamik
2. Frequenzgeregelte Systeme:
- Solche Systeme verfügen über einen höheren Wirkungsgrad
- Bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Autonome Fahrzeuge verstärken den Bedarf an induktiver Ladetechnik
Das induktive Laden gewinnt gegenüber dem konduktiven Laden immer mehr an Bedeutung. Der gedankliche Umschwung ist auf verschiedene Gründe zurückzuführen. Das Autonome Fahren beispielsweise schafft den Wunsch nach einer Möglichkeit den Ladevorgang selbstständig vornehmen lassen zu können. Dieser Vorgang erfordert jedoch entweder aufwendige Automaten für die Handhabung von Steckverbindungen und Kabeln, oder aber das viel leichter implementierbare induktive Laden. Beim induktiven Laden eines Elektroautos etwa wird das Fahrzeug gegenüber einer stationären Induktivität positioniert. Hierdurch wird eine optimale Kopplung des Primär- und Sekundärkreises ermöglicht, sodass die Batterie bequem während des Parkens aufgeladen wird. Gegenüber dem konduktiven Laden ist dieses Vorgehen bezogen auf die Sicherheit und den Komfort deutlich leichter zu realisieren, da hier keine potenziell hinderlichen und von Vandalismus gefährdete Ladekabel benötigt werden.
Die Ladetechnik in der Zukunft
Die heutige Technik untersteht einem stetigen Wandel. Wie alle technischen Bereiche, wandelt sich auch die Ladetechnik und entwickelt sich weiter. Auf Geräteebene werden höhere Ladeleistungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsdichte erreicht. Durch Smart Grids wird künftig auch die Rückspeisefähigkeit im Zuge der Entwicklung verbessert und vermehrt eine größere Rolle spielen. Damit geht also auch die Anforderung einher, Ladesysteme kommunikationsfähig zu gestalten und eine vollwertige Schnittstelle zwischen dem Versorgungsnetz, weiterer möglicher regenerativer Energiequellen (z.B. Photovoltaikanalgen) und dem Fahrzeug herzustellen. Weitere Optimimierungspotentiale weisen Konfigurationsmöglichkeiten sowie entstehende Kosten auf. Im Bereich der Bauteile werden neue Schaltertechnologien entwickelt, welche die Topologieauswahl dominieren werden. Man darf auch damit rechnen, dass Lösungen aus dem Embedded-Bereich auf die Leistungselektronik übertragen werden. Ermöglicht wird dies durch die anhaltende Miniaturisierung der passiven Komponenten. Unterm Strich kann man also den aktuellen Stand der Ladetechnik bereits in wenigen Jahren durch die stetige Verbesserung und Weiterentwicklung als veraltet betrachten.
Den vollständigen Artikel mit detaillierteren Beispielen und einer Darstellung der verschiedenen Modi können Sie auf allelectronics.de lesen.
