Gleichrichterschaltung für E-Mobility-Ladestationen mit zwei Betriebsmodi – effiziente Umschaltung zur Nutzung unterschiedlicher, induktiver Ladesysteme
Kurzfassung
Die Integration eines schaltbaren Gleichrichters in die Empfangseinheit ermöglicht den Betrieb induktiver Empfängersysteme in zwei Betriebsmodi. So können verlustarm unterschiedliche Sendeleistungen effektiv genutzt werden. Das induktive Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen an unterschiedlichen Lade-Systemen wird effizienter.
Hintergrund
Derzeit sind unterschiedlich leistungsfähige induktive Ladesysteme für Elektroautos am Markt, sowie dazu passende Empfangssysteme. Zum einen solche mit 3 kW Ladeleistung und zum anderen Systeme mit bis zu 20 kW. Problematisch ist derzeit die Interoperabilität der Systeme, bzw. die effiziente Nutzung einer 20 kW-Sendestation für bspw. nur 3 kW Nutzlast.
Problemstellung
Die verfügbaren Lade-Systeme sind auf die Abgabe ihrer Nennleistung optimiert. Wird ein System mit einer Nennleistung von 20 kW nur 3 kW belastet, verursacht dies hohe Verluste und mindert den Wirkungsgrad erheblich, da der Betrieb in einem niedrigeren Leistungsbereich mit hohen Blindleistungen in den Kompensationskapazitäten verknüpft ist. Um diese Systeme dennoch auch auf niedrigerem Niveau effizient nutzen zu können, werden bisher zusätzliche DC/DC-Wandler auf der Empfängerseite benötigt.
Lösung
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts BIPoLplus entstand am Institut für Elektrische Energiewandlung (IEW) der Universität Stuttgart ein neues Konzept zur Umschaltung von Energieübertragungssystemen im Sinne einer optimierten Interoperabilität.
Durch Integration der neuen Empfangseinheit mit Gleichrichterschaltung (g, siehe Abbildung), umfassend vier als Graetzschaltung angeordnete Dioden (d) sowie einen Schalter (s), kann zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsmodi gewechselt werden. Der Betrieb des Gleichrichters als Vollbrücken- oder Halbbrückengleichrichter verringert den Blindleistungsbedarf des gesamten Systems beim Betrieb mit verminderter Leistung. Dadurch kann insbesondere eine unnötige Überdimensionierung von Primärspule (e) und senderseitiger Blindleistungskompensationseinheit (k, li.) vermieden, sowie Effizienz und Wirkungsgrad des induktiven Energieübertragungssystems gesteigert werden. Auf diese Weise können Empfangssysteme verlustarm in einem zweiten Betriebsmodus operieren und so unterschiedliche Sende-Nennleistungen deutlich effizienter nutzen.
Vorteile
- Hoher Lade-Wirkungsgrad unabhängig von der Nennleistung der Sendeeinheit
- Maßgebliche Verbesserung der Interoperabilität
- Gleichmäßigere Auslastung der Lade-Infrastruktur
- Umschaltung kann manuell oder automatisch (via Microcontroller) erfolgen
Anwendungsbereiche
Diese neuartige Empfangseinheit für induktive Ladesysteme bietet eine deutlich effizientere Nutzung der bereits vorhandenen Lade-Infrastrukturen im Bereich der E-Mobilität.