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Auf dem richtigen Weg eine kompatible Elektrofahrzeug-Infrastruktur
Die Onboard-Wandlung macht es möglich, Elektrofahrzeuge an jeder Ladestation aufzuladen, so Haris Muhedinovic, Senior Field Application Engineer EMEA Automotive bei Vicor. Dadurch wird das Problem der Inkompatibilität von 400V/800V EV-Schnellladungen gelöst.
Von Haris Muhedinovic, Senior Field Application Engineer
Ladebedenken steigen, da heutige Elektrofahrzeuge die Primärbatteriespannung von 400 auf 800V erhöhen, obwohl die öffentliche Infrastruktur nicht ausreichend ist, um 800V-Gleichstrom-Schnellladungen zu unterstützen. Eine Aufrüstung der Ladeinfrastruktur ist keine praktikable kurzfristige Lösung. Ein schnellerer und ganzheitlicher Ansatz ist ein Onboard-Wandler, der eine Kompatibilität mit 400 oder 800V ermöglicht. Dieser Ansatz kann ohne erhebliche Kapitalinvestitionen übernommen werden und ist wesentlich einfacher umzusetzen.
Inkompatibilität beim Schnellladen mit Gleichstrom
Das Inkompatibilitätsproblem konzentriert sich auf das Gleichstromladen (DC-Laden), das für Langstreckenfahrten verwendet wird, bei denen Zeit und Zugang begrenzt sind. Das Wechselstromladen (AC-Laden) für das alltägliche Laden stellt kein Problem dar, da die bestehende Netzinfrastruktur AC-Laden recht bequem ermöglicht. Diese Art des Ladens ist leicht zugänglich für Personen, die Elektrofahrzeuge besitzen und zu Hause (über Nacht) oder am Arbeitsplatz (tagsüber) laden können, wo die Ladezeit nicht entscheidend ist. AC-Laden eignet sich ideal für den täglichen Gebrauch und Kurzstreckenfahrten und ist die kostengünstigste und praktischste Lösung für Fahrten bis zu 300 km.
Wenn Menschen jedoch weite Strecken zurücklegen, müssen sie schnell und an öffentlichen Orten, wie z.B. an Raststätten an Autobahnen, aufladen können. In solchen Fällen können sie DC-Schnellladestationen nutzen. Diese Stationen erfordern mehr als 50 kW Leistung und erreichen Spitzenwerte von 150 kW oder 350 kW. Obwohl DC-Laden seltener verwendet wird als AC-Laden, ist es sehr wichtig, ein solides Netzwerk dieses Typs zu haben, um die Reichweitenangst zu reduzieren. Im Jahr 2020 gab es insgesamt etwa 400.000 öffentlich zugängliche Schnellladeeinrichtungen für Gleichstrom, von denen nur wenige 800V-Fahrzeuge unterstützen. Zum Beispiel unterstützen in Europa nur 400 von insgesamt 40.000 Ladestationen 800V-Fahrzeuge.
Dieses Ungleichgewicht zwischen 400V- und 800V-Ladestationen stellt ein erhebliches Problem dar, da die OEMs damit beginnen, neue 800V-Fahrzeuge auf den Markt zu bringen: Die öffentliche Infrastruktur zum Laden dieser Fahrzeuge ist unzureichend.
Lösungen für das Schnellladen mit Gleichstrom (DC)
Generell gibt es zwei Ansätze zur Lösung des Problems beim DC-Schnellladen: Der eine konzentriert sich auf Änderungen an den Ladestationen, der andere auf Änderungen am Fahrzeug.
Die Erweiterung des DC-Schnellladenetzes um entsprechende Ladestationen kann dieses Problem lindern, ist jedoch möglicherweise nicht der schnellste oder kostengünstigste Ansatz. Es gibt zwei Möglichkeiten, das DC-Schnellladenetz zu erweitern:
- Hinzufügen von 800V-Stationen: Die Installation neuer DC-Schnellladestationen mit breitem Spannungsbereich (von 250 bis 920V) ist eine Lösung, erfordert jedoch erhebliche Investitionen in Zeit und Geld. Derzeit gibt es etwa 1.000 Ladestationen in Europa und den USA, die 800V-Laden anbieten, was nur etwa 2% aller verfügbaren DC-Ladestationen ausmacht. Um dem Wachstum der 800V-Elektrofahrzeuge gerecht zu werden, müsste dieses Netzwerk um Hunderte weitere Stationen erweitert werden. Die Installation einer so großen Anzahl neuer Stationen wird Jahre dauern und kostspielig sein.
- Nutzung von 400V-Stationen: Ein weiterer Ansatz besteht darin, die vorhandenen 400V-Stationen zu nutzen und sie auf 800V aufzurüsten. Dies bringt jedoch eigene Herausforderungen mit sich. Das Laden mit extrem hoher Leistung (>150kW) ist nicht immer verfügbar und nicht immer möglich (Temperatur, Batterieabnutzung usw.). Außerdem wären die Ladezeiten für 800V langsamer als gewünscht.
Onboard-Laden mit einer modularen virtuellen DC/DC-Batterie bietet Flexibilität und eine Effizienz von 99%. Im Gegensatz zur Erweiterung des Ladeinfrastrukturnetzes sind Onboard-Wandler ein ganzheitlicherer Ansatz, um 400- oder 800-V-Kompatibilität zu ermöglichen. Dieser Ansatz kann viel schneller und ohne Kapitalinvestitionen in die Ladeinfrastruktur umgesetzt werden.
Die Inkompatibilität zwischen 800V-Batterien und 400V-Ladegeräten lässt sich durch "Batterievirtualisierung" lösen. Dabei "sieht" das Ladegerät eine 400V-Batterie auf einer Seite des Onboard-Ladegeräts, während die 800V-Batterie mit der anderen Seite verbunden ist. Dieser Ansatz geht von der Batteriespannung aus und passt sie an den vom Ladegerät akzeptierten Spannungsbereich an (Bild 1).
Bild 1: Die Inkompatibilität zwischen 800V-Batterien und 400V-Ladegeräten lässt sich durch "Batterievirtualisierung" lösen. Damit "sieht" das Ladegerät eine 400V-Batterie auf einer Seite des Onboard-Ladegeräts, während die 800V-Batterie mit der anderen Seite verbunden ist.
Dieser Ansatz basiert auf der Batteriespannung und passt sie an den vom Ladegerät akzeptierten Spannungsbereich an.
Hochdichte und hochleistungsfähige Module von Vicor können verwendet werden, um eine DC/DC-Wandler-Onboard-Ladelösung für die Batterievirtualisierung zu erstellen, ohne Größe, Gewicht und Designkomplexität hinzuzufügen.
Die bidirektionalen NBM™-Module von Vicor wandeln Zehntausende von Kilowatt an Leistung um und erreichen eine Leistungsdichte von 550 kW/l und 130 kW/kg, wobei sie Leistungswandler verwenden, die mindestens 50% kleiner und leichter sind als diskrete Lösungen. Die Vicor-eigene SAC™-Aufbau (Sine Amplitude Converter) gewährleistet sanftes Schalten auf der Primär- und Sekundärseite und erreicht eine Effizienz von 99%. Dieses Verhalten ermöglicht ein einfaches EMV-Design und bietet flexible Kühlung (Bild 2).
Bild 2: Die bidirektionalen Module NBM von Vicor wandeln Zehntausende von Kilowatt Leistung um und erreichen eine Leistungsdichte von 550 kW/l und 130 kW/kg, wobei sie Leistungswandler verwenden, die mindestens 50% kleiner und leichter sind als diskrete Lösungen.
Durch das Anschließen einer Batterie an eine Seite eines NBM-Moduls wird sofort eine Batterie auf der anderen Seite virtualisiert, wobei die Spannung oder der Strom um einen konstanten Faktor geteilt oder multipliziert wird. Letztendlich erweitern NBM-Module den Spannungsbereich von Ladestationen (von 250-460V auf 500-920V), wodurch die Anzahl der insgesamt verfügbaren Ladepunkte erhöht wird und ein Elektrofahrzeug mit jeder DC-Ladestation kompatibel ist.
Ein fehlerfreier Antriebsstrang und ein Hochleistungs-Controller ermöglichen diese Batterievirtualisierung. Das Gehäuse von Vicor vereinfacht nicht nur Montage und Fertigung, sondern bietet auch Flexibilität und Skalierbarkeit der Leistung. OEMs können skalierbare Gehäuse mit einer Ladeleistung von 50 bis 150 kW mit demselben Modul konfigurieren, ohne zusätzliche Qualifikation und Zertifizierung zu benötigen.
Ein weiterer Grund, Power-Module zu verwenden
Das NBM-Modul bietet nicht nur die Möglichkeit der Batterievirtualisierung beim Laden, sondern kann auch in Verbindung mit der Traktionsbatterie eine höhere Effizienz für das Fahren mit niedriger Drehzahl liefern. Bei Stadtfahrten sind beispielsweise niedrigere Drehzahlen erforderlich, und die Effizienz des 800V-Traktionsumrichters sinkt um mehr als 15%. Das NBM-Modul kann in dieser Zusatzfunktion verwendet werden, um den Umrichter mit der Hälfte der Batteriespannung zu versorgen, wodurch die Schaltverluste halbiert und die Reichweite verlängert werden. Dies ist ein weiterer Vorteil des integrierten, modularen Ansatzes zur Stromversorgung, der es ermöglicht, den DC/DC-Wandler teilweise zu nutzen, um die Spitzenleistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten.
Reichweitenangst bereits vor dem Start beseitigen – durch Onboard-Boost-Wandlung
Obwohl die Ladeinfrastruktur für Ladestationen weiter ausgebaut wird, um das Wachstum von Elektrofahrzeugen zu unterstützen, wird allein die Erweiterung das 400V/800V-Kompatibilitätsproblem nicht lösen. Die wirkungsvollste Lösung, um die Reichweitenangst zu verringern, besteht darin, Onboard-Ladegeräte zu entwickeln, die mit jeder DC-Schnellladestation kompatibel sind.
Die Vicor-Onboard-Lösung mit leistungsstarken Power-Modulen ermöglicht volle Kompatibilität zwischen 800V/400V-Fahrzeugen und DC-Ladenetzen mit minimalem Aufwand und maximalem Nutzen. Durchschnittlich ist die Vicor-Lösung halb so groß und leicht wie die meisten diskreten Lösungen und bietet eine sehr hohe Effizienz und Skalierbarkeit. Sie kann Zehntausende kW an Leistung mit einer Leistungsdichte von 550kW/l und 130kW/kg umwandeln. Die Kombination aus hoher Leistungsdichte, Flexibilität und hoher Effizienz macht Power-Module von Vicor zu einer idealen Onboard-Lösung, um Kompatibilität bei der 400V/800V EV-Ladung herzustellen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Electronic Specifier veröffentlicht.
Haris Muhedinovic arbeitet mit OEMs und TIER-Zulieferern zusammen, um leistungsstarke Lösungen für anspruchsvolle Automotive-Anwendungen zu entwickeln. Mit seinem Interesse an Leistungselektronik und elektronischen Systemen ist Haris über neue Technologien und Trends in der Branche informiert, was es ihm ermöglicht, leistungsstarke Lösungen zu implementieren, die anspruchsvollsten Spezifikationen gerecht werden. Haris hat seinen Master-Abschluss an der Universität Sarajevo erworben und verfügt über 7 Jahre Erfahrung in der Leistungselektronik in den Bereichen Design und Anwendungsentwicklung.
Haris Muhedinovic, Senior Field Application Engineer
