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E-Mobilität: Anforderungen an On-Board-Ladesysteme

| Autor/ Redakteur: Joseph Notaro* / Benjamin Kirchbeck

Das integrierte Ladegerät (OBC; On-Board Charging) in E-Fahrzeugen ist ein wichtiger Aspekt, um die Nutzung so praktisch wie möglich zu gestalten und das Vertrauen der Verbraucher zu erhöhen, die zuvor Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zugetan waren. Doch damit OBC funktioniert, müssen verschiedene Design-Anforderungen erfüllt werden.

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Da die Leistung begrenzt ist, dauert das Laden mit Wechselstrom länger als mit Gleichstrom.
Da die Leistung begrenzt ist, dauert das Laden mit Wechselstrom länger als mit Gleichstrom.
(Bild: ©seksan94 - stock.adobe.com)

Während die Marktdurchdringung von E-Fahrzeugen zunimmt, müssen allerdings auch noch einige Herausforderungen angegangen werden, um deren Akzeptanz weiter zu verbessern. Angst vor zu kurzen Reichweiten und langen Ladezeiten auf Verbraucherseite tragen ebenso wie der meist hohe Kaufpreis dazu bei, dass die Verkaufszahlen niedriger sind als erhofft. Allerdings wird erwartet, dass die neuen Modelle mit Reichweiten von mehr als 300 km pro Ladung und niedrigeren Preisen diese Bedenken weitgehend ausräumen.

In Zukunft könnte die Bereitstellung bzw. der langsame Ausbau einer angemessenen Ladeinfrastruktur zum Hauptengpass werden, der die Einführung von Elektrofahrzeugen verlangsamt. Schätzungen zufolge werden bis 2030 in den wichtigsten Märkten (Europa, USA und China) rund 120 Mio. Elektrofahrzeuge unterwegs sein, was zu einer 14-fachen Erhöhung des Energiebedarfs für deren Aufladung auf rund 280 Mrd. kWh führt.

Die Herausforderungen bei der Bereitstellung der erforderlichen Infrastruktur sind vielfältig, und eingeplant werden müssen Gleichstrom-Ladegeräte mit sehr hoher Leistung in öffentlichen Bereichen, z. B. an Autobahnen für schnelles Aufladen zwischen Fahrten/Etappen. Die meisten Nutzer werden es vorziehen, ihr Auto über Nacht zu Hause aufzuladen, da dies nur wenig Einfluss auf die Nutzung des Fahrzeugs hat und sie nachts von günstigem Strom profitieren. Die Herausforderung, adäquate Ladestationen in großen Stadtgebieten bereitzustellen, in denen sich Parkplätze möglicherweise nicht in der Nähe der Wohnung befinden, unterscheidet sich jedoch erheblich von Vororten, in denen viele Häuser über eine Zufahrt oder eine Garage verfügen.

On-Board Charging

Es gibt zwei wesentliche Arten von Ladevorgängen – eine, basierend auf Ladegeräten, die das Fahrzeug mit Gleichstrom versorgen, und eine zweite, die Wechselstrom aus dem Netz verwendet. Beim Laden mit Gleichstrom wird Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom umgewandelt, bevor er in das Fahrzeug gelangt, sodass die Batterie ohne weitere Umwandlung an Bord aufgeladen werden kann. Dies ist in der Regel auf öffentliche Ladegeräte beschränkt, die Leistung von einem relativ niedrigen Niveau bis zu mehreren hundert Kilowatt liefern können. Mit diesen Ladegeräten lassen sich Fahrzeugbatterien in weniger als einer Stunde wieder erheblich aufladen.

AC-Ladegeräte werden üblicherweise zu Hause verwendet und ermöglichen das Laden des Fahrzeugs direkt über das Stromnetz. Da unser Netz Wechselstrom bereitstellt, muss dieser gleichgerichtet werden, bevor der Akku aufgeladen werden kann. Dies erfolgt über eine Wandlung an Bord des Fahrzeugs (On-Board), bei der die Leistungsstufe durch die Menge an Leistung begrenzt wird, die von einer typischen Steckdose geliefert werden kann – meist 20 kW oder weniger.

Nebenbei wird auch das kabellose Laden von Fahrzeugen untersucht. Dies funktioniert im Grunde wie das kabellose Laden eines Mobiltelefons – natürlich in einem viel größeren Maßstab. Das Fahrzeug wird über einer Ladeplatte geparkt und mittels elektromagnetischer Wellen langsam aufgeladen. Effizienz, Ladestrom und andere technische Herausforderungen haben die Umsetzung dieses Ansatzes aber bisher eher gebremst.

Das Laden mit Wechselstrom ist langsamer als mit Gleichstrom, da die Leistung begrenzt ist, d.h. das Laden dauert länger. Es eignet sich jedoch hervorragend für das Laden zu Hause, wo ein Fahrzeug über Nacht geparkt und aufgeladen werden kann, um für das morgendliche Pendeln bereit zu stehen. Es ermöglicht auch die Nutzung günstigeren Stroms außerhalb der Stoßzeiten und ein hohes Maß an Flexibilität, da jede verfügbare Steckdose verwendet werden kann – bei Bedarf mit einem langen Kabel.

Es gibt zwei Versionen des On-Board-AC-Ladens. Stufe 1 wird hauptsächlich in den USA verwendet und basiert auf einer einphasigen 120 V-Netzsteckdose mit einer Strombelastbarkeit von 15 A, so dass die meisten Batterien über Nacht vollständig aufgeladen werden. Stufe 2 bietet mehr Leistung auf Basis von 220/208 V-Wohn- und Gewerbe-Steckdosen mit bis zu 40 A. Im einphasigen Format stehen dabei bis 7,6 kW Leistung bereit, bei drei Phasen bis zu 22 kW.

Die größte Herausforderung beim On-Board-Laden ist für fast jede Anwendung im Fahrzeug gleich: Die Notwendigkeit, Größe und Gewicht zu reduzieren, und die Effizienz zu maximieren. Der technische Schwerpunkt liegt dabei auf Bauteilebene, und hiermit insbesondere bei Spezialanbietern von Halbleiterlösungen für die Automobilelektronik, wie z. B. ON Semiconductor. Im Gegensatz zu den öffentlichen DC-Ladegeräten, die sich neben dem Fahrzeug befinden, werden die bordeigenen Ladegeräte immer vom Fahrzeug mitgeführt. Das bedeutet, dass sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht Platz und Energie benötigen.

Wesentliche Bestandteile des OBC-Systems

Ein OBC-System der Stufe 2 umfasst zwei Hauptleistungsstufen, eine AC/DC-Wandlungsstufe auf der Primärseite des Leistungstransformators und eine DC/DC-Wandlungsstufe zum Bereitstellen der endgültigen Batterieladespannung auf der Sekundärseite des Transformators. In einem OBC-System finden sich fünf wesentliche Komponenten:

Der Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC; Power Factor Correction) hält den Leistungsfaktor so nahe wie möglich am Idealwert 1 und erhöht die Spannung auf den Arbeitspegel des DC-/Zwischenkreises.

Der Haupt-DC/DC-Wandler sorgt für eine galvanische Trennung über einen Leistungstransformator, der den Primär- und den Sekundärteil trennt. Er regelt auch die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, wie vom Batteriemanagementsystem gefordert. Es stehen mehrere Topologien zur Verfügung, wobei eine LLC-Resonanztopologie bevorzugt wird, da sie einen hohen Wirkungsgrad bei guter EMI-Performance ermöglicht.

Innerhalb des DC/DC-Wandlers befindet sich die Gleichrichterstufe auf der Sekundärseite. Diese kann aus Dioden bestehen, obwohl eine synchrone Gleichrichtung auf Basis von MOSFETs (besserer Wirkungsgrad) bevorzugt wird – wenn auch auf Kosten einer etwas höheren Komplexität. Bei den neuesten Designs kommen zunehmend Halbleiterbausteine mit großer Bandlücke zum Einsatz, um den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern. Die Technologie in diesem Bereich geht dabei auf praktische Lösungen von Anbietern wie ON Semiconductor über. Die Auswahlmöglichkeiten für Fahrzeughersteller umfassen dabei sowohl integrierte Module, die eine Reihe von Funktionen bieten, den Platzbedarf verringern und die Zuverlässigkeit erhöhen als auch normale alleinstehende Halbleiterbauelemente.

Eine Hilfsleistungsstufe stellt eine saubere und stabile Niedrigspannungs-Versorgung für die Steuerung des Ladegeräts bereit, einschließlich Gate-Treiber, Schaltregler, Überwachungsschaltung, Lüfter und MCU. Die Hilfsversorgung basiert meist auf einer Flyback-Topologie, wobei LDOs bei Bedarf zusätzliche Versorgungsleitungen bereitstellen.

Die verbleibenden Schaltkreise innerhalb des OBC-Systems umfassen einen Hochspannungs-Gate-Treiber, eine Spannungs- und Strommessung sowie Kommunikationseinheiten und eine MCU zur Steuerung der Lüfter, die das Ladegerät kühlen.

Ausblick

Während die schnellsten Ladesysteme weiterhin die öffentlichen auf Gleichstrom-Basis bleiben, von denen viele eine Leistung von mehr als 300 kW bieten, wird OBC zunehmend eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung einer flexiblen Ladelösung spielen. Durch die Möglichkeit, eine Fahrzeugbatterie an jedem Wechselstromnetz aufzuladen, können Verbraucher ihre Fahrzeuge zu Hause und im Büro aufladen und die Reichweite aufrechterhalten, ohne eine öffentliche Ladestation aufsuchen zu müssen.

Die Entwicklungen bei Fahrzeugherstellern und anderen Unternehmen, die derzeit durchgeführt und durch neue Halbleiterbauelemente unterstützt werden, werden das Angebot an Elektrofahrzeugen weiter verbessern. Dazu gehören Funktionen wie bidirektionales Laden, mit denen Autos dazu beitragen, die Energiekosten zu senken und Probleme bei Angebot und Nachfrage zu lösen. Dabei werden Fahrzeugbatterien als Energiespeicher verwendet und können diese Energie dann zu Spitzenzeiten wieder ans Netz abgeben.

* Joseph Notaro ist Vice President, Worldwide Automotive Strategy & Business Development, bei ON Semiconductor.

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