Lithium-Ionen-Akkus mit verbesserter Leistung und Lebensdauer
Domänenübergreifender Hochleistungsrechner im Einsatz
Maschinell gefertigter On-BoardCharger im Kleinformat
Cell Module Controller optimiert die Batterieleistung
FACHWISSEN
Bidirektionales Laden
Die Technik des bidirektionalen Ladens ist hochinteressant, und wenn die Fahrzeugbatterien ihre Energie nun auch wieder zurückspeisen können, wird die Angelegenheit auch für Garagen zusehends herausfordernder.
TECHNIK
Ladeperformance
Das 800-V-Bordnetz und ein ausgeklügeltes Thermomanagement sorgen für eine hohe Ladeperformance in Audis neuen und künftigen Elektrofahrzeugen, die auf der neuen Premium Platform Electric basieren.
Airbag-Systeme
Zweistufige «Doppelkontur»Airbags sowie ein ebenfalls zweistufiger Seitenairbag mit Pre-Crash-Auslösung der ersten Stufe sollen die passive Sicherheit weiter erhöhen – und der Airbag wird aus der Nabe verbannt.
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KONZEPTNACHWEIS FÜR LITHIUM-IONEN-BATTERIEN MIT
VERBESSERTER LEISTUNG UND LEBENSDAUER
Lithium-Ionen-Batterien entfalten ihr volles Potenzial in einem Temperaturbereich von 10 bis 45 °C. Die Anwendung bei niedrigeren Temperaturen verringert die Batterieleistung erheblich –bei höheren Temperaturen kommt es zu einer beschleunigten Alterung der Batterie. Das japanische Technologieunternehmen Asahi Kasei hat nun einen erfolgreichen Konzeptnachweis für Lithium-Ionen-Batterien mit einem neuartigen Elektrolyt mit hoher ionischer Leitfähigkeit erzielt. Damit können Batterien eine höhere Leistung bei niedrigen Temperaturen und eine verbesserte Lebensdauer bei hohen Temperaturen erreichen. Die Kommerzialisierung ist für 2025 geplant.
Dank neuartigem Elektrolyt: Batterien mit höherer Leistung bei niedrigen und verbesserter Lebensdauer bei hohen Temperaturen.
Asahi Kasei Honorary Fellow Akira Yoshino sah bereits früh grosses Potenzial in Acetonitril als Bestandteil für Lithium-Ionen-Batterieelektrolyte, und das Unternehmen begann 2010 mit der Entwicklung eines Elektrolyten mit besonders hoher ionischer Leitfähigkeit unter Verwendung von Acetonitril. Die hohe Ionenleitfähigkeit ermöglicht es, die Grösse der Batteriepacks zu verringern und gleichzeitig die Leistung beizubehalten, was zu einer höheren Energiedichte der Batterie und niedrigeren Kosten beiträgt. Im Vergleich zu Zellen mit herkömmlichem Elektrolyt zeigten die getesteten zylindrischen Prototypzellen eine hohe Leistung bei –40 °C und eine doppelte Zykluslebensdauer bei 60 °C, bevor sie einen SoH-Wert (State of Health) von 80 % erreichten. (pd/sag)
CONTINENTAL
DOMÄNENÜBERGREIFENDER HOCHLEISTUNGSRECHNER
KOMMT ERSTMALS IN EINEM FAHRZEUG ZUM EINSATZ
Conti hat den ersten domänenübergreifenden Hochleistungsrechner (HPC) in einem Fahrzeug implementiert. Erstmals war es möglich, Cockpit- und zusätzliche Fahrzeugfunktionen wie Fahrsicherheit und automatisiertes Parken in einer realen Fahrzeuganwendung auszuführen. Dies ist ein Beispiel dafür, wie die Entwicklung von softwaredefinierten Fahrzeugen (SDV) für Automobilingenieure aussehen kann. Das SDV nutzt das cloudbasierte Continental Automotive Edge Framework «CAEdge», eine modulare Hardware- und Software-Plattform, die das Auto mit der Cloud verbindet und mit einer virtuellen Werkbank zahlreiche Möglichkeiten bietet, die Entwicklung, Bereitstellung und Wartung von softwareintensiven Systemfunktionen zu vereinfachen und zu beschleunigen. Dies bietet Softwareingenieuren der
Continental zeigt ersten domänenübergreifenden HPC in realer Fahrzeugumgebung.
Automobilindustrie die Möglichkeit, Software auf einem virtuellen HPC zu testen, bevor sie auf der physischen Hardware eingesetzt wird. So können softwarebezogene Probleme durch eine Fehlerbehebung direkt in der Cloud gelöst werden. Bei der Umsetzung kam der Systemon-Chip Snapdragon Ride Flex mit vorintegriertem Snapdragon-RideVision-Wahrnehmungsstack von Qualcomm zum Einsatz.
Das SDV-Fahrzeug demonstriert die optimalen und innovativsten Lösungen, die das Portfolio des Unternehmensbereichs Continental Automotive in einer Fahrzeugarchitektur zu bieten hat. Zu den Technologien, die zum Einsatz kommen, gehören automatisierte Parkfunktionen mit ganzheitlicher Bewegungskontrolle, Ultraschallsensoren, ein integriertes Bremssystem und Rundumsichtkameras – alles in einer HPC-Plattform. «Das Ziel ist nicht nur zu zeigen, wie gut Funktionen wie das autonome Parken funktionieren, sondern auch, wie gut mehrere Technologien in HPC-basierte Fahrzeugarchitekturen innerhalb eines softwaredefinierten Fahrzeugs integriert werden und nebeneinander arbeiten können», erklärt Jean-François Tarabbia, Leiter des Geschäftsbereichs Architektur und Vernetzung bei Continental Automotive. (pd/sag)
MASCHINELL GEFERTIGTER ON-BOARD-CHARGER IM KLEINFORMAT BIETET DOPPELTE LADELEISTUNG
Bisherige On-Board-Charger (OBC) bestehen aus mehreren diskreten Bauteilen, darunter grosse Spulen, die z.T. in aufwendiger Handarbeit gefertigt und zusammengefügt werden müssen und letztlich viel Platz benötigen. Dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ist es nun gelungen, einige der jüngsten Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der OBC zu kombinieren. Das Ergebnis: doppelte Ladeleistung bei halbem Volumen, dazu bidirektional und maschinell gefertigt.
Für den kompakten OBC wurden am Fraunhofer IZM mehrere Komponenten entwickelt und auf kleinem Raum kombiniert. So etwa ein SinusAmplituden-Converter (SAC) – ein resonanter Hochfrequenz-Transformator, der zunächst die galvanische
MARQUARDT
Der am Fraunhofer IZM entwickelte On-Board-Charger ist nur etwa halb so gross wie gängige OBC, bietet jedoch doppelte Ladeleistung und bidirektionales Laden.
Isolation der Fahrzeugbatterie vom Versorgungsnetz gewährleistet. Den eigentlichen Fortschritt des SAC machen die verwendeten Galliumnitrid-Halbleiter möglich – neuartige und leistungsst arke Halbleiter mit
breitem Bandabstand. Sie ermöglichen es, den Transformator mit einer Taktfrequenz von 1.3 MHz ein- und auszuschalten. Dadurch können Bauteile wie etwa die PowerFactor-Correction-Konverter-Drossel
(PFC-Drossel) gänzlich anders ausgelegt werden. Diese ist in bisherigen OBC ein sehr sperriges Bauteil, das zudem bei der Fertigung hohe Kosten verursacht. Neu wurde eine flache PFC-Drossel mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern auf Leiterplattenbasis entwickelt. Das hat den grossen Vorteil einer kostengünstigen maschinellen Fertigung.
Durch diese cleveren Aufbauund Verbindungstechniken konnte schliesslich ein OBC entwickelt werden, der das Volumen solcher Geräte im Vergleich zu gängigen Ladegeräten halbiert, die Ladeleistung jedoch von 11 auf 22 kW verdoppelt – dies bei deutlich geringeren Herstellungskosten. Das Modul ist mit 400- und 800-V-Batterien kompatibel, hat einen Wirkungsgrad von über 97 % und unterstützt bidirektionales Laden. (pd/sag)
CELL MODULE CONTROLLER OPTIMIERT DIE BATTERIE-
LEISTUNG UND SCHÜTZT VOR AUSFÄLLEN
Marquardt, ein weltweit führender Hersteller von mechatronischen Schalt- und Bediensystemen, hat auf der Battery Show in Stuttgart seinen neuen Cell Module Controller (CMC) vorgestellt. Der CMC überwacht jede einzelne Batteriezelle in Echtzeit und liefert wichtige Daten über den Zustand und die Leistungsfähigkeit der Batterie. Bei Problemen informiert der Controller die übergeordnete Steuereinheit, die wiederum entscheidet, was zu tun ist: laden, herunterkühlen oder ausbalancieren. Das Balancing wird beispielsweise dann notwendig, wenn sich von den Hunderten Zellen, aus denen eine Batterie besteht, einzelne nicht vollständig aufladen. Dann kommt es zu Ungleichgewichten und die einheitliche Zellspannung im Batteriepack geht verloren. Durch die Steuerung und Überwachung in
Der CMC mit Gehäuse wird als externe Komponente in der Nähe des Batteriepacks angebracht. Zudem ist eine interne Lösung inkl. Zellkontaktiersystem erhältlich.
Echtzeit werden solche Szenarien verhindert. Der CMC optimiert den Betriebszustand, schützt vor Überladung und Überhitzung und erhöht die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie.
Dabei ist der CMC mit einer Vielzahl von Batteriechemien und Formfaktoren kompatibel. Analog Front Ends ohne Softwareabhängigkeiten dienen als Kommunikationsschnittstelle zu anderen elektronischen Steuergeräten im System, was den CMC vielfältig einsetzbar und leicht integrierbar macht – so bietet er maximale Flexibilität für Fahrzeugund Zellhersteller. Zusätzlich zum Automobilsektor ist er für die Integration in stationäre Batteriesysteme geeignet. Das skalierbare Design wird stetig aktualisiert, um den sich entwickelnden Industriestandards und Kundenanforderungen gerecht zu werden. (pd/sag)
Bild: Volker Mai, Fraunhofer IZM
Bild: Marquardt
Bild 1. Mitsubishi (im Bild der Mitsubishi Eclipse Cross PHEV) bietet das bidirektionale Laden schon seit längerer Zeit an. In Partnerschaft mit «sun2wheel» steht auch eine entsprechende Ladesäule zur Verfügung.
Bidirektionales Laden
LADEN UND ENTLADEN
Die Elektromobilität soll einen wesentlichen Beitrag zur Netzstabilität beitragen und das, obwohl sie sich zahlen- und verbreitungsmässig nicht im gewünschten Aufschwung befindet. Immerhin ist die Technik des bidirektionalen Ladens hochinteressant, und es ist wichtig, dass die Fachleute in den Garagen auch die Zusammenhänge beim Laden nicht erst ab dem Ladestecker im Auto kennen. Wenn die Fahrzeugbatterien ihre Energie nun auch wieder zurückspeisen können, wird die Angelegenheit für Garagen zusehends herausfordernder.
Text: Andreas Lerch | Bilder: Mazda, Porsche, Lerch
Das Elektrifizieren des automobilen Antriebsstranges hat ungefähr vor 30 Jahren mit der Produktion von Hybridfahrzeugen begonnen. Das Ziel war die Einsparung fossiler Energiereserven und dann mehr und mehr die Verminderung des klimarelevanten CO2-Ausstosses. Mit der Verbesserung der Batterietechnologie wurden bald darauf auch reine Elektrofahrzeuge (BEV – Battery Electric Vehicles) entwickelt. Obwohl der elektrische Fahrzeugantrieb im Vergleich zum verbrennungsmotorischen Antrieb einen im Durchschnitt doppelten bis dreifachen Wirkungsgrad aufweist,
können die E-Fahrzeuge die Reichweite der mit fossilen Treibstoffen betriebenen Fahrzeuge nur in seltenen Fällen erreichen; und dann nur, wenn die BEV eine Masse von mehreren Hundert Kilogramm an Batterietechnik mitschleppen.
Da die meisten Autos die eingebaute elektrische Kapazität bzw. die dadurch ermöglichte Reichweite nur selten brauchen, wäre es ja wahrscheinlich sinnvoll, wenn die in den Batterien gespeicherte Energie auch für andere Anwendungen genutzt würde – wenn also die Fahrzeuge, wenn sie mit der Wallbox verbunden sind, auch elektrische Energie
Haushalten in den frühen Abendstunden am meisten Strom verbraucht wird. Soll diese Energie von Autobatterien zwischengespeichert werden, so braucht es natürlich ein Szenario, bei dem die Autos während dieser Stunden auch am Netz angeschlossen sind. Das Problem stellt sich dabei vor allem bei der arbeitenden Bevölkerung. Steht das Fahrzeug tagsüber irgendwo auf einem Firmenparkplatz, so ist es am Abend nicht aufgeladen und kann demzufolge keine Energie abgeben – im Gegenteil, es muss geladen werden.
Wenn durch eine PV-Anlage das Fahrzeug geladen werden soll, muss es an der Wallbox angeschlossen sein, solange die Sonne scheint. Auch später muss es angeschlossen sein, damit sein Akku eben den Energieverbrauch des Hauses auch decken kann, wenn die Sonne nur noch schwach scheint. Beim Durchdenken des Szenarios wird klar, dass es nicht (nur) die technischen Herausforderungen sein können, welche gelöst werden müssen, um die Photovoltaik, den Individualverkehr und das Elektrizitätsnetz zusammenzuführen. Auch die Gesetze und die Normen zur Energieeinspeisung müssen geschrieben oder angepasst werden.
Technik der PV-Anlage
zurückspeisen könnten. Dazu müssen das System und die Zusammenhänge zwischen Ladung, Speicherung und der Stromerzeugung etwas gesamtheitlicher angeschaut werden. Interessant ist, dass die elektronische Hardware der Fahrzeuge jener der Hauselektronik ähnlich ist.
Photovoltaik (PV)
Bei Häusern mit Photovoltaikanlagen kann der eigene Nutzungsgrad durch den Einsatz eines Akkumulators mächtig gesteigert werden. Es ist bekannt, dass die PV-Anlagen ihre grössten Leistungen um die Mittagszeit abgeben, dass aber in den
Im Bild 2 ist eine PV-Anlage dargestellt, welche über einen Wechselrichter die Gleichspannung der Solarpanels in Wechselspannung für das Haushaltsnetz umwandelt und damit die Verbraucher des Haushalts und über die Wallbox das E-Fahrzeug mit elektrischer Energie versorgt. Leisten die Solarpanels noch mehr, kann auch eine Speicherbatterie geladen werden, und am Schluss wird überschüssige Energie ins Netz zurückgeführt. Dazu braucht es natürlich einen Stromzähler, welcher in beide Richtungen arbeiten kann. In BEV oder Hybridfahrzeugen arbeiten die Systeme nach gleichen oder ähnlichen Mustern. Gerade beim Rekuperieren fallen bei elektrischen Antriebssträngen ebenfalls
unterschiedliche Spannungen an, welche dann zum Laden der Batterie gleichgerichtet und an deren Spannung angepasst werden müssen. Nach diesem Prozess wird der Wechselrichter wieder einen sinusförmigen, dreiphasigen Wechselstrom erzeugen und diesen, je nach gewünschter Motordrehzahl, mit entsprechender Frequenz den Motoren zuführen oder netzsynchronisiert und phasengleich mit einer Frequenz von 50 Hz ins Netz zurückspeisen. Damit sind die Geräte im Netz und im Auto gar nicht so unterschiedlich. Natürlich unterscheiden sie sich in ihrer Anpassung an die Betriebsbedingungen, aber die technischen Grundprinzipien bleiben sich ähnlich.
Wechselrichter
Die Leistungselektronik hat in der Antriebstechnik verschiedene Aufgaben. Zum einen muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Das bedeutet, dass der fliessende Strom in Bezug auf ein ruhendes Potenzial einmal positiv und einmal negativ wird. Zum Zweiten müssen der positive und der negative Signalanteil (möglichst exakt) der Sinusform entsprechen. Bei der Photovoltaik-Anlage braucht es zudem eine Frequenz von 50 Hz, welche den Frequenzschwankungen vom Netz folgen kann. Im BEV muss die Frequenz drehzahl- beziehungsweise fahrgeschwindigkeitsabhängig geregelt werden. Soll jedoch Energie aus der Fahrzeugbatterie ins Netz eingespiesen werden, so muss die Netzsynchronisierung auch hier eingebaut sein (in der Wallbox).
Voll- oder H-Brücke
Um aus einem Gleichstrom einen Wechselstrom zu machen, müssen die Polaritäten periodisch gewechselt werden. In Bild 3 kann man die Stromverläufe gut verfolgen. Wichtig ist, dass immer nur die Schalter S1 und S4 bzw. S2 und S3 zusammen geschlossen sind und dass beim Wechsel der Schalter eine kleine
Bild 2. Eine Photovoltaikanlage ergibt in Verbindung mit einem bidirektional ladenden BEV eine sehr gute Kombination, welche eine externe Batterie überflüssig machen kann. 1 BEV mit bidirektionaler Ladefähigkeit – 2 Wallbox – 3 Energiemanager –4 Stromzähler für beide Richtungen – 5 Verbraucher – 6 Photovoltaikanlage – 7 Batterie – 8 Grid (Netz).
Schaltlücke besteht, damit kein Kurzschlussstrom fliessen kann. Ist S1 geschlossen, liegt oben an der Spule (Induktivität) ein positives Potenzial, welches über den geschlossenen S4 an Masse abfliessen kann. Wird S3 geschlossen, liegt das positive Potenzial unten an der Spule und der Masseabfluss erfolgt über S2. Wird ein Voltmeter parallel zur Induktivität geschaltet, schlägt es beim Umschalten der Schalter einmal nach links und einmal nach rechts aus. Damit wird ein Wechselstrom erzeugt. Dieser ist aber rechteck- und nicht sinusförmig. Als Schalter werden dazu natürlich nicht mechanische Schalter, sondern Transistoren oder Thyristoren eingesetzt. Bei Hochvoltanlagen sind es in der Regel IGBTs; wenn die Spannungen aber über 800 V steigen, kommen auch Siliziumkarbid-MOSFETs zum Zug.
Sinus
Um die Rechtecksignale in die mathematische Sinusform zu bringen, müssen Mikroprozessoren eingesetzt werden. Diese erzeugen pulsweitenmodulierte Signale, deren High- und Low-Phasen sich ständig verändern. So werden die Signale zuerst immer länger und dann wieder kürzer. Ist das kürzeste Signal vorüber, müssen die
anderen beiden Leistungstransistoren der Brücke geschaltet werden, damit der zweite Teil des Sinussignals sich auch tatsächlich unter der Nulllinie befinden wird. Damit aus diesen PWM-Signalen aber wirklich ein Sinussignal entsteht, wird noch eine Spule benötigt, welche mit der Selbstinduktion das Signal abflacht und auf diese Art als Filter wirkt. Wird dreiphasiger Wechselstrom benötigt, werden drei Mikroprozessoren parallel, aber zeitverschoben betätigt. Wichtig ist, dass alle drei Mikroprozessoren gleich getaktet sind und synchron arbeiten. Je schneller die Prozessoren getaktet sind, je höher also die Grundfrequenz des PWM-Signals ist, desto exakter kann das Sinussignal erstellt werden, und die Motoren laufen dadurch schwingungsfreier. Je höher jedoch dieTaktung ist, desto häufiger werden die Transistoren geschaltet und desto mehr Wärmeenergie fällt an.
Frequenz
Für die Steuerung von Fahrzeugmotoren muss die Frequenz des Sinussignals verstellbar sein, denn die Motoren drehen schneller, je höher die Frequenz ist. Bei einer Rückspeisung ins Netz, sei es von einer PV-Anlage oder von einer Autobatterie aus, muss das Signal
jedoch deckungsgleich an die Phasenlage der Netzfrequenz angepasst werden. Es reicht dabei also nicht, die Frequenz richtig einzustellen, denn wenn die Netzspannung im positiven Maximum liegt, muss die eingespeiste Spannung ebenfalls im positiven Maximum liegen. So muss also der Nulldurchgang in positiver und in negativer Richtung durch Operationsverstärker sensiert und dem Mikroprozessor mitgeteilt werden, damit dieser bei der Erzeugung der einzuspeisenden Wechselspannung diese Informationen umsetzen kann. Passiert das nicht zuverlässig, wird Energie in Wärme umgesetzt, es werden Oberschwingungen auf den Netzstrom gesetzt, was im schlimmsten Fall zu Netzunterbrüchen oder gar einem Blackout führen könnte.
Bild 3. Der Wechselrichter stellt eine Brückenschaltung dar. In der Praxis sind die mechanischen Schalter durch elektrische Schalter (Transistoren oder Thyristoren) ersetzt.
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Spannung
Sowohl beim Antrieb des E-Motors wie auch bei der Rekuperation muss die Spannungshöhe oder im Wechselstrom die Amplitudenhöhe angepasst werden. Bei der Rekuperation muss die Spannung nach der Gleichrichtung der momentanen Batteriespannung angepasst werden. So muss auch bei der PV-Anlage die Spannung auf ein bestimmtes Gleichspannungsniveau gebracht werden, um sie dann entweder an die Ladespannung eines Speichers anzupassen oder für die Netzspannung wechselzurichten und zu transformieren.
Die vielen Anpassungen, denen die elektrische Energie unterworfen wird, erfolgen heute in der Leistungselektronik mit sehr hohen Wirkungsgraden, in der Regel über 95 %.
Thermomanagement
Trotz der hohen Wirkungsgrade darf die Klimatisierung der einzelnen Aggregate nicht ausser Acht gelassen werden. Da die verschiedenen Baugruppen andere Wohlfühltemperaturen haben, wird heute im Fahrzeug von Thermomanagement (Bild 5) gesprochen. Während Verbrennungsmotoren Temperaturen um die 120 °C mögen, liegen diese bei E-Maschinen um 100 °C, bei der Leistungselektronik etwa bei 80 °C. Die Batterie ist am heikelsten: Ihre Temperatur sollte zwischen 20 und 30 °C liegen; über 30 °C nimmt der Alterungsprozess überproportional zu und ab 40 °C kann sie dauerhafte Schäden erleiden. So ist es wichtig, dass die Temperaturen gerade der Batterien und der Leistungselektronik überwacht werden, auch wenn das Fahrzeug mit der Wallbox verbunden ist. Um die niedrigen Temperaturen zu erreichen, werden die Batterien häufig mit dem Kältemittel von Wärmepumpen (Klimaanlagen) gekühlt oder im Winter beheizt. Wichtig ist aber auch, dass die Batterie vor dem Einsatz in dieses Temperaturfenster gestellt wird. Vor einer Schnellladung sollte die
Batterietemperatur sogar möglichst im unteren Toleranzbereich liegen, da sie während der Schnellladung stark erwärmt wird.
Bidirektionales Laden
Ein Auto ist pro Tag durchschnittlich vielleicht eine Stunde im Verkehr unterwegs und könnte also 23 Stunden mit einer Wallbox verbunden sein und die Energie der Batterie könnte irgendwie eingesetzt werden. Im Bild 6 oben ist eine vereinfachte Ladesituation mit Netzversorgung, Hausanschluss, Wallbox und Fahrzeugverbindung dargestellt. Da heute viele japanische Fahrzeuge, welche bidirektionales Laden anbieten, mit DC-CHAdeMO-Stecker ausgerüstet sind, ist das Beispiel in Bild 6 auch mit einer DC-Ladung dargestellt. Der Gleichrichter ist in der Wallbox untergebracht. Ob die Spannung auch in der Wallbox angepasst wird, kann vom Fahrzeughersteller bestimmt werden. Sicher wird die Verteilung in die verschiedenen Batteriemodule vom Batteriemanagement (3) übernommen und von der Elektronik (2) ausgeführt. Die elektrische Ladeenergie kommt entweder von der PV-Anlage (Bild 2) oder aus dem Stromnetz (14). Dreiphasig wird die Energie der Immobilie zugeführt (13) und mit dem Stromzähler (11) gemessen. Danach wird sie in der Wohnung verteilt und auch zur Wallbox geführt. Die Kommunikation
Bild 5. Das Thermomanagement ist für alle Hybrid- und vollelektrisch angetriebenen Fahrzeuge ein Thema, da die Batterie nicht nur während der Fahrt in einem gewissen Temperaturfenster gehalten werden muss.
wird über die Leitung (6) vom Batteriemanagement (3) zur Wallbox (8) und zum Energiemanager (9) geleitet.
V2L
Die einfachste Art, die Energie der Fahrzeugbatterie anders zu nutzen als in fahrzeugeigenen Verbrauchern, nennt sich Vehicle to Load (V2L). Dabei sind im Auto ein DC/DCSpannungswandler und ein DC/ACWandler verbaut, welcher einen Wechselstrom von 50 Hz erzeugt und mit einer gewöhnlichen 230-VSteckdose verbindet. So kann im Auto eine Kaffeemaschine oder ein Kühlschrank betrieben werden. Wie genau die Frequenz stimmt und ob die Signalform sinus-, rechteckförmig oder eine angenäherte Sinusform darstellt, müsste untersucht werden.
Bild 4. Der Wechselrichter bildet PWM-Signale. Diese Rechtecksignale mit speziell angepassten Tastverhältnissen führen dann in Zusammenarbeit mit Spulen zu sinusförmigen Signalen.
Auf jeden Fall müssen Frequenz und Phasenlage nicht dem Netz angepasst werden.
V2H und V2B
Bei den Systemen Vehicle to Home (V2H) und Vehicle to Building (V2B) muss die Fahrzeugelektronik – und natürlich auch das BMS (Batteriemanagementsystem) – in der Lage sein, den Strom nicht nur vom Stecker zu den Batteriemodulen zu verteilen, sondern den Stromfluss auch in der anderen Richtung zu ermöglichen. In der Wallbox ist dann ein Wechselrichter eingebaut, wie er in ähnlicher Form auch bei PV-Anlagen existiert. Er muss die Gleichspannung exakt mit der Netzspannung synchronisieren. So können dann die Verbraucher im Haus bedient werden, wenn die PV-Anlage die Leistung bei zu wenig Lichteinfall nicht mehr erbringen kann. Damit kann ein Einfamilienhaus autark werden – jedenfalls im Sommer. Bei V2B muss die elektrische Leistung des Fahrzeugs oder der Fahrzeuge noch genau gemessen werden, damit die Verrechnung zu den einzelnen Wohnungen gelingen kann.
V2G und V2X
Bei V2G (Vehicle to Grid), kann der Netzbetreiber auf die Kapazität von Batterien in BEV zugreifen. So wird es möglich, dass das eigene Auto zur Netzstabilität beiträgt. Wie viel der Netzbetreiber jedoch dem
Fahrzeughalter für die Energie bezahlt, ist noch nicht ausdiskutiert.
V2X fasst all die Systeme zusammen und das Auto kann überall hin elektrische Energie liefern.
Offene Fragen
Auf der technischen Ebene fragt man sich, ob diese Entladungen der Batterie oder der Lebensdauer der Batterie schaden oder nicht. Pragmatisch gibt es hier die Antwort, dass eine Fahrzeugbatterie x Lade-EntladeZyklen aushält, bevor ihr SoH (State of Health) unter das erlaubte Minimum fällt. Ob diese Zyklen mit Fahren oder mit Entladungen in den Haushalt oder ins öffentliche Netz geschehen, ist der Batterie grundsätzlich gleichgültig. Entschärfend ist wohl, dass bei V2H und V2G keine Schnellentladungen passieren, dass die Batterie also moderat belastet wird, so wird sie nicht noch zusätzlich altern.
Die Normen, welche dafür noch geschaffen werden müssen, werden
Bild 7. Verschiedene Steckertypen, welche als Ladestecker heute eingesetzt werden. Bei der Entwicklung dieser Steckverbindungen war das bidirektionale Laden noch kein Thema.
wohl dem Hersteller und auch dem Fahrzeughalter gewisse Eingriffe ermöglichen müssen. Wenn der Halter am kommenden frühen Morgen eine
Bild 6. Verschiedene Möglichkeiten der Batterieentladung. Dazu sind im Fahrzeug mehr Softwareanpassungen nötig denn Hardwareergänzungen. In der Wallbox und im Energiemanager der Immobilie kann das etwas anders sein. 1 Fahrzeugbatterie –2 Lade-, Entladeelektronik – 3–Batteriemanagementsystem (BMS) – 4 Wechselrichter im Fahrzeug – 5 Steckdose im Fahrzeug – 6 Kommunikationskabel (welches je nach System weiter oder weniger weit reicht) – 7 DC-Ladekabel – 8 z. T. bidirektionaler Wechselrichter der Wallbox – 9 Energiemanager – 10 Verbraucher im Haushalt – 11 Stromzähler (Netz nach Haushalt) – 12 Stromzähler (Haushalt nach Netz) –13 Netzzuleitung zur Immobilie – 14 Grid (Netz).
weite Arbeitsfahrt vor sich hat, muss er das dem «System» mitteilen können und melden, dass er morgens um sieben Uhr 80 % oder gar 100 % der Batteriekapazität brauchen werde. Auch wird der Hersteller, welcher ja für die Batterie garantiert, mitbestimmen können, wie viel Leistung der Batterie entnommen werden und bis zu welcher Kapazitätsgrenze das passieren darf. Auf der anderen Seite nützt dem Netzbetreiber das V2G nur etwas, wenn er darauf zählen kann, dass bei einer hohen Netzbeanspruchung auch gerade genügend Fahrzeuge angeschlossen sind, bei denen Energie entnommen werden darf. Das bedingt natürlich wiederum, dass der Anteil der BEV noch gewaltig steigt und diese dann entweder fahren oder an einer bidirektionalen Wallbox angeschlossen sind. Da sind noch richtig viele Herausforderungen zu lösen.
Kommunikation
Im Bild 6 ist eine Gleichspannungsladung/-entladung dargestellt. Japanische Fahrzeuge, welche schon seit Jahren zur Stromentnahme vorbereitet sind, werden mit CHAdeMOSteckern ausgerüstet. Gemäss Bild 7 sind das Gleichspannungssysteme
mit acht Kommunikations- und Signalleitungen. So können Fahrzeug, Wallbox und Netz kommunizieren, um welche Zeit der Batterie wie viel Energie entnommen werden darf und bis wann diese Energie wieder geladen werden muss, damit der Halter der Batterie bzw. des Fahrzeuges keine Nutzungseinbusse hat. Da in Europa Typ-2- oder CCS-Typ-2-Stecker häufig anzutreffen sind, werden heute grosse Anstrengungen unternommen, diese Stecker auch für das bidirektionale Laden fit zu machen.
FRAGEN
1. Was bedeutet «bi» bei bidirektional?
2. Was muss ein Wechselrichter im einfachsten und im aufwendigsten Fall können?
3. Was verändert sich hardwareseitig, wenn bidirektionales Laden über Ladestecker, welche das Fahrzeug ausschliesslich mit Wechselstrom versorgen, ermöglicht werden muss?
LÖSUNG ZUR AUSGABE 6/2024
1. Das Kompressionsverhältnis vergleicht das Zylindervolumen bei «Einlass schliesst» mit dem minimalen Volumen. Das Expansionsverhältnis vergleicht das minimale Zylindervolumen mit dem Volumen bei «Auslass öffnet».
2. 70 %
3. Weil Sonnenenergie und Windenergie nicht dann elektrische Energie liefern, wenn sie gebraucht wird. Die elektrische Energie muss aber immer gerade verbraucht werden. Es gilt in jedem Moment: Produktion = Verbrauch.
Der Q6 E-Tron ist das erste Audi-Modell, das auf der neu entwickelten Premium Platform Electric basiert.
Ladeperformance und Thermomanagement
KEINE LADEHEMMUNG
Das 800-V-Bordnetz und ein ausgeklügeltes Thermomanagement sorgen für eine hohe Ladeperformance, die für Audi bei der Konzeption und Entwicklung der HV-Batterie für die Premium Platform Electric im Vordergrund stand. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Audi
Die mit Porsche gemeinsam entwickelte Premium Platform Electric (PPE) – Basis zunächst für den Audi Q6 E-Tron und die zweite Generation des Porsche Macan – ist für Audi ein zentraler Baustein für die Erweiterung des globalen Angebots rein elektrisch angetriebener Modelle.
Für die PPE wurde unter anderem die Hochvoltbatterie mit allen peripheren
Komponenten neu entwickelt und dabei exakt auf die Anforderungen eines batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugs zugeschnitten. Der aus 180 prismatischen Zellen in 12 Modulen (also pro Modul 15 in Reihe geschaltete Zellen) aufgebaute Ak-
kumulator hat eine Speicherkapazität von 100 kWh brutto (94.9 kWh netto) und bietet eine maximale Ladeleistung von 270 kW. Zusätzlich steht für die Audi-Q6-E-Tron-Baureihe eine Variante mit 83 kWh brutto zur Wahl, die aus 150 Zellen in 10 Modulen besteht.
Ladeperformance
Mitentscheidend für eine hohe Ladeperformance ist die 800-VArchitektur, die für Ladeleistungen von bis zu 270 kW benötigt wird. Um
einen derart hohen Wert überhaupt aufnehmen zu können, wurde die Zellchemie optimiert. Dabei sei es Audi gelungen, eine optimale Balance aus Energiedichte und Ladeperformance zu erreichen, wie die Ingolstädter betonen. Die gemeinsam mit dem Zulieferer entwickelten Zellen bieten eine hohe Energiedichte, haben einen deutlich reduzierten Kobalt-Anteil und niedrigere Widerstände für eine bestmögliche Ladeperformance. So reichen bei einem State of Charge (SoC) von noch rund 10 % bereits 10 min an einer Schnellladesäule aus, um bei einer maximalen Ladeleistung von 270 kW – selbstverständlich beim DC-Laden und unter idealen Bedingungen – eine Reichweite von bis zu 255 km zu generieren. Und lediglich 21 min vergehen, bis die HV-Batterie von einem SoC von 10 % auf 80 % aufgeladen ist. Ein Kommunikationssteuergerät, die sogenannte Smart Actuator Charger Interface Device (SACID) als Informationsschnittstelle, verbindet die Ladedose dabei mit der -säule und leitet die einkommenden Informationen an den Hochleistungsrechner HCP5 weiter – also an einen der insgesamt fünf Domänenrechner im Q6 E-Tron. Die für das schnelle und batterieschonende Laden benötigte Stromregelung verantwortet das für die PPE speziell entwickelte zentrale Steuergerät, der Battery Management Controller (BMC), der komplett in der HV-Batterie integriert ist. Im Rahmen eines permanenten Monitorings senden die zwölf Cell Module Controller (CMC) Daten wie die
aktuelle Modultemperatur oder die Zellspannung an das BMC, das seine Information beispielsweise hinsichtlich des SoC an den Domänenrechner HCP4 sendet. Von diesem gehen die Daten schliesslich an das neue prädiktive Thermomanagement, das je nach Bedarf den Kühl- oder Heizkreislauf für eine optimale BatteriePerformance regelt.
In der PPE ist zudem erstmals das sogenannte Bankladen möglich: Wenn eine Ladesäule «nur» mit 400-V-Technik arbeitet, kann die 800V-Batterie automatisch in zwei Batterien mit gleicher Spannung geteilt werden, die sich dann parallel mit bis zu 135 kW aufladen lassen. Beide Batteriehälften werden je nach Ladezustand zuerst angeglichen und dann gemeinsam geladen.
Thermomanagement
Das «intelligente» Thermomanagement leistet einen wesentlichen Beitrag zur hohen Ladeperformance und langen Lebensdauer der HVBatterie. Der wichtigste Baustein dabei ist das prädiktive Thermomanagement, welches die Daten aus der Navigation, dem Streckenverlauf, dem Abfahrtstimer und dem Nutzungsverhalten der Kunden verwendet, um den Kühl- oder Heizleistungsbedarf vorauszuberechnen und entsprechend rechtzeitig und effizient bereitzustellen. Wenn Kunden beispielsweise zum Laden an eine in der Routenplanung enthaltene HPC-Ladesäule fahren, bereitet das prädiktive Thermomanagement den DC-Ladevorgang vor und kühlt
oder heizt die Batterie, um schneller laden zu können. Und wenn – ein anderes Beispiel – ein steiler Anstieg bevorsteht, stellt das Thermomanagement die Batterie durch eine entsprechende Kühlung darauf ein, um einer höheren thermischen Belastung vorzubeugen. Falls Kunden keine Informationen zur Verfügung stellen, aus denen sich prädiktive Daten ableiten lassen, regelt ein Basisalgorithmus das Thermomanagement der HV-Batterie. Auch dieser sammelt Informationen und reagiert auf die Fahrsituation. Wenn Fahrer beispielsweise den Efficiency-Modus im Drive-SelectMenü ausgewählt haben, wird die Konditionierung der Batterie später aktiviert und die Realreichweite kann
in Abhängigkeit des Fahrverhaltens ansteigen. Im Dynamic-Modus wird eine optimale Performance angestrebt. Sollte die aktuelle Verkehrslage allerdings kein dynamisches Fahren erlauben, reagiert das Thermomanagement darauf und minimiert den Energieeinsatz für die Batteriekonditionierung wieder.
Neu kommt zudem eine Nach- und Dauerkonditionierung zum Einsatz. Diese Funktion überwacht für die gesamte Lebensdauer die Batterietemperatur, um auch dann, wenn das Fahrzeug steht, die Batterie etwa bei heissen Aussentemperaturen im optimalen Temperaturbereich zu halten. Auch diese Massnahme kommt einer verlängerten Lebensdauer der Batterie zugute.
Das Thermomanagementsystem wurde grundlegend, nicht nur in Bezug auf die Batterie neu aufgebaut. Zur Kompensation der gestiegenen Effizienz im Antriebsstrang und den damit gesunkenen Wärmeverlusten wird die Wasser-Glykol-Wärmepumpe um eine Luftwärmepumpe ergänzt. So kann neben der Abwärme im Kühlmittel von E-Maschine, Leistungselektronik und Batterie auch die Umgebungsluft als Heizquelle für den Innenraum genutzt werden. Der Temperaturaustausch funktioniert nun direkt über ein Heizregister. Als effektive Ergänzung wurde zusätzlich ein 800-V-Luft-PTC-Heizer entwickelt, der bei erhöhtem Heizbedarf die Innenraumtemperierung ebenfalls direkt im Klimagerät unterstützt.
Das Thermomanagement
Airbag-Systeme
NABENSCHAU
Zweistufige «Doppelkontur»-Fahrer- und -Beifahrerairbags sowie ein ebenfalls zweistufiger Seitenairbag mit Pre-CrashAuslösung der ersten Stufe sollen die passive Sicherheit weiter erhöhen – und der Airbag könnte aus der Nabe verbannt und künftig hinter dem Lenkrad montiert werden. Text: Stefan Gfeller | Bilder: ZF Lifetec
Die neue Marke ZF Lifetec, eine Ausgliederung des Geschäftsfelds «Passive Sicherheitssysteme» des ZF-Konzerns, hat am «ZF Lifetec Technology Day 2024» neue AirbagLösungen vorgestellt, welche die Anforderungen, die automatisiertes Fahren, Elektrifizierung des Antriebsstrangs und neue Innenraumkonzepte stellen, erfüllen sollen. Denn der Insassenschutz muss einerseits
beispielsweise an neue Sitzpositionen beim automatisierten Fahren angepasst werden, andererseits können neue Schutzsysteme den Fahrzeugherstellern auch innovative Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen.
Der sogenannte Dual-ContourBag ist sowohl als Fahrer- wie auch als Beifahrerairbag erhältlich und kann sich in zwei unterschiedlichen Grössen entfalten. So wird der bei «Komfortsitzpositionen» (etwa wäh-
rend des automatisierten Fahrens) vergrösserte Abstand des Insassen zum Lenkrad oder Armaturenbrett durch zusätzliches Airbagvolumen abgedeckt. Dazu kommen ein zweistufiger Gasgenerator und eine so genannte Tether Activation Unit (TAU) zum Einsatz, die das Volumen des Airbags umschalten und die Entfaltung an das jeweilige Szenario anpassen. ZF Lifetec erklärt, dass sich dank dieser Anpassungsfähigkeit der Verletzungswert – selbst bei einem Schrägaufprall – um 30 % reduziere.
Zur Mitte geschubst Über zwei Stufen verfügt auch der Pre-Crash-Dual-Stage-Seitenairbag: Hier hat ZF Lifetec einen herkömmlichen Seitenairbag um eine weitere Airbagkammer erweitert, die 200 ms früher und somit eben
noch vor dem Unfall aufgeblasen wird. Das Airbagmodul beinhaltet dazu zwei Gasgeneratoren in einer Abdeckung und schiebt den Insassen bei einer Pre-Crash-Auslösung in Richtung Fahrzeugmitte. So entsteht wertvoller Raum, den die nachfolgend zündende zweite Stufe des Seitenairbags für einen optimalen Schutz nutzen kann. ZF Lifetec spricht von einer bis zu 25 % besseren Schutzwirkung – natürlich nur bei einer Pre-Crash-Auslösung – als mit herkömmlichen Systemen. Falls die Pre-Crash-Stufe nicht gezündet wird, funktioniert und schützt der Seitenairbag nach wie vor wie gängige Module.
Nach hinten gestellt
Ein neues Konzept platziert den Fahrerairbag hinter dem Lenkrad statt in der Nabe. Bei einem Unfall entfaltet er sich von hinten durch das Lenkrad in Richtung Fahrer. Das bringt zwar keine bessere Schutzwirkung – und selbstverständlich auch keine verminderte, wie ZF Lifetec betont –, ermöglicht aber neue Gestaltungsmöglichkeiten für das Lenkrad und seine Bedienelemente. So kann die waagerechte Speiche einschliesslich Nabe in einem nahtlosen, Smartphone-ähnlichen Design gestaltet werden. Dadurch entstehen nicht nur viele Möglichkeiten bei der Verwendung neuer Materialien und Formen, sondern auch bei der Funktion. Denkbar sind etwa sogenannte On-Demand-Funktionen (frei belegbare Felder), ein Touchdisplay oder ein zentraler Bildschirm. Aber auch hybride Lösungen sind realisierbar. Zu diesen gehört zum Beispiel die Kombination einer sogenannten Daumenwalze mit einem ebenfalls im Lenkrad integrierten, berührungsempfindlichen Bildschirm als Ankerpunkt, die so eine entsprechende Bedienungssicherheit ermöglicht.
Hinter dem Lenkrad platzierter Fahrerairbag: Diese Positionierung ermöglicht neue Gestaltungsmöglichkeiten für das Lenkrad und seine Bedienelemente, die mit dieser Lösung auch in der Nabe untergebracht werden können.
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