Projektleiter

Prof. Dr. Christian Dick

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Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Institut für Automatisierungstechnik (IA)

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Martin Nießen

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ChargeSwing – Die 22 kW Wallbox für Zuhause

Erster Versuchsaufbau des DC/DC-Wandlers (Bild: Martin Nießen, TH Köln)

Im Forschungsprojekt ChargeSwing wird ein flexibles, bidirektionales 22 kW Batterieladegerät, insbesondere für Elektrofahrzeuge, erforscht und dargestellt. Schwerpunkt der TH-Köln ist die Entwicklung des galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers, welcher durch ein innovatives Ansteuerungsverfahren besonders hohe Effizienzen erreicht.

Im Kooperationsprojekt zwischen TH Köln und der Firma AixControl GmbH wird der elektrische Leistungsteil einer bidirektionalen Wallbox für den Hausgebrauch aufgebaut. Schwerpunkt der TH-Köln ist die Entwicklung des galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers, welcher durch ein innovatives Ansteuerungsverfahren besonders hohe Effizienzen erreicht.

Auf einen Blick

Kategorie Beschreibung
Forschungsprojekt ChargeSwing: Effizienz durch Leichtigkeit - ein flexibles, bidirektionales 22 kW Batterieladegerät, insbesondere für Elektrofahrzeuge 
Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian Dick 
Fakultät Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik 
Institut Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE) / Institut für Automatisierungstechnik 
Beteiligte Christian Dick, Claudius Fournier, Georg Jöntgen, Martin Nießen 
Projektpartner AixControl GmbH 
Fördermittelgeber BMWi / Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) 
Laufzeit 01.05.2021-30.04.2023 

In diesem Projekt soll ein bidirektionales, zweistufiges 22 kW Ladesystem für die Elektromobilität aufgebaut und erprobt werden. Einem Active-Frontend (AFE) wird ein Serienresonanzwandler mit hohem Frequenz-Leistungsprodukt sowie einstellbaren Weitbereichsausgang nachgeschaltet (Abbildung 2).

Schematische Abbildung der gewählten Schaltungstopologie Abbildung 2: Topologie der Wallbox (Bild: Martin Nießen, TH Köln)

Ziel des Projektes ist es, ein möglichst marktreifes Produkt zu entwickeln, welches auf neusten Erkenntnissen der Forschung basiert und gleichzeitig alle Bedürfnisse der Kunden befriedigt. Die anvisierten Leistungsdaten: Ausgangsspannungsbereich von 200 V bis 500 V, Ladeleistung bis 22 kW und Ladestrom von 0 A bis 50 A

Betrieb des Resonanzwandlers bei einem Spannungsübersetzungsverhältnis von 3/4 Abbildung 3: Betrieb des Resonanzwandlers bei einem Spannungsübersetzungsverhältnis von 3/4 (Bild: Martin Nießen, TH Köln)

Der Weitbereichsausgang von 200 V bis 500 V der Wallbox wird mittels einer unkonventionellen Ansteuerung des Gleichspannungswandler erreicht [1]. Dieser kann durch gezielte Anregung verschiedene feste Spannungsübersetzungsverhältnisse einstellen. In der Abbildung 3 ist eine Messung bei einem Übersetzungsverhältnis von 3/4 exemplarisch abgebildet. Während die Schalter T5 bis T8 den Resonanzkreis mit der Spannung v2 durchgehend anregen, regen die Schalter T1 bis T5 mit der Spannung v1 den Resonanzkreis nur 3 von 4 Resonanzhalbperioden an. Dieses Verfahren ermöglicht durch die einfache Änderung von Verhältnissen das Spannungsübersetzungsverhältnis diskret einzustellen. Die Variabilität der Zwischenkreisspannung U1 erlaubt in Kombination mit dem steuerbaren Übersetzungsverhältnis den Spannungsreich der Wallbox komplett abzudecken.

Das System soll bidirektional arbeiten, was bedeutet, dass das Elektroauto über die Wallbox als Energiespeicher genutzt werden kann. Bei bidirektionalen Ladegeräten ist die Effizienz des Wandlers für den Kunden besonders interessant, da die Energie beim Be- und Entladen den Wandler durchlaufen muss.

Das Ergebnis der ersten Projektschritte ist ein funktionstüchtiger Prototyp des Gleichspannunsgwandlers (Abbildung). Dieser wurde aufgebaut, um die Leistungsfähigkeit des 500V-Systems beurteilen zu können.

Der Wirkungsgrad des ersten Versuchsaufbaus bei verschiedenen Ausgangsspannungen aufgetragen über die Leistung Abbildung 4: Wirkungsgrad aufgetragen über die Verlustleistung (Bild: Martin Nießen, TH Köln)

Ergebnis dieses Aufbaus ist die dargestellte Wirkungsgradkurve (Abbildung 4). Der Aufbau wurde so optimiert, dass er in den gängigen Arbeitspunkten die höchste Effizienz bietet. Dabei sind vor allem niedrige Leistungsbereiche von großem Interesse, da der Verbrauch eines Einfamilienhauses selten die 5 kW Grenze übersteigt. Der Bereich von 5 kW bis 10 kW ist für den Ladevorgang mittels einer durchschnittlichen PV-Anlage wichtig. Im niedrigen Leistungsbereich sind die Schaltverluste der Halbleiter der entscheidende Faktor. Um die Verluste in diesem Arbeitsbereich möglichst zu reduzieren, wurde ein Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht die Schalter T1-T8 nahezu verlustfrei zu schalten [1]. Ziel in den nächsten Projektschritten ist es, mit dem Projektpartner AixControl eine funktionstüchtige DC-Wallbox aufzubauen.

Sollten Sie technische Detailfragen haben, freuen wir uns sehr diese zu beantworten.

[1]          Martin Niessen ; Patrick Deck ; Marcus Conrad ; Christian P. Dick;  Two-Staged 50kW DC-Charger with Output Voltage Range from 200V to 940V; PCIM Europe digital days 2020; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management; 7-8 July 2020; Nuremberg, Germany; pp 619-626; ISBN: 978-3-8007-5245-4

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