Forschungsprojekt Gepard „Zweistufiges 50kW Schnellladesystem für die Elektromobilität“

Im Kooperationsprojekt zwischen der TH Köln und der Firma AixControl wird der elektrische Leistungsteil eines universalen 50kW Schnellladesystems für die Elektromobilität erforscht und in einem Demonstrator dargestellt. Ziel ist ein Schnellladesystem zu entwickeln, welches im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Bauteilkosten ermöglicht. Dies soll durch den Einsatz einer an der TH Köln erforschten Methode zur Spannungsregelung von Resonanzwandlern erreicht werden, welche es erlaubt, eine Leistungsstufe einzusparen. Ziel ist es, Kosten zu senken und Konvertierungsverluste zu vermeiden. Zusätzlich wird ein hohes Frequenz-Leistungsprodukt anvisiert, um die Größe der passiven Bauelemente zusätzlich zu minimieren.

In diesem Projekt soll ein zweistufiges 50kW Schnellladesystem für die Elektromobilität aufgebaut und erprobt werden. Einem Active-Frontend (AFE) wird ein Serienresonanzwandler mit hohem Frequenz-Leistungsprodukt sowie regelbarem Weitbereichsausgang nachgeschaltet.

Systemübersicht: AFE zur Netzanbindung, Serienresonanzwandler (bidirektional), Batteriekontaktierung an U2 (Bild: M.Nießen, TH Köln)

Lösungsansatz: Um einen Weitbereichs-Spannungsausgang zu erzielen, muss der Serienresonanzwandler spannungsvariabel werden. Im Folgebild ist gezeigt, dass in der primärseitigen Spannung für ganzzahlige Resonanz-Halbperioden Freiläufe eingefügt werden. Dies führt zur Absenkung der sekundärseitigen Spannung. Das Einfügen von sekundärseitigen Freiläufen führt zur Anhebung der sekundärseitigen Spannung.

In einem Serienresonanzwandler werden gezielt Freiläufe für ganzzahlige Resonanz-Halbperioden geschaltet, um eine Regelung zu erzielen. (Bild: M.Nießen, TH Köln)

Es ergibt sich eine Makroperiode, in der in Abhängigkeit der eingesetzten Freiläufe ein Makrotastgrad D definiert werden kann. Wird das Pulsmuster festgehalten und der eingangsseitige Zwischenkreis über das AFE variiert, so können Batteriespannungen von 200V-920V flexibel bedient werden. Farblich codiert ist der effektive Strom im Primärkreis. Der Makrotastgrad setzt sich aus 4 Parametern zusammen, die die Freiläufe primär- und sekundärseitig beschreiben:

D = n_max * (l_max+m_max) / m_max * (n_max+k_max)

Falschfarbenbild des Effektivstroms in verschiedenen Betriebspunkten. (Bild: M.Nießen, TH Köln)

Der Einsatz der Modulationsstrategie bietet signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen. So ist es möglich, einen großen Spannungsbereich bei kleinen passiven Komponenten abzudecken. Außerdem lassen sich in dieser Topologie Sicherheitsmechanismen wie die Kurzschlussfestigkeit implementieren, welche es erlauben, den Energiefluss innerhalb von 5µs zu unterbrechen. Dies ermöglicht den Einsatz von 1200V Bauteilen auf der Sekundärseite, da ein Ansteigen der Zwischenkreisspannung sofort verhindert werden kann. Zusätzlich ist ein bidirektionaler Betrieb möglich.

Die Machbarkeit wurde auf einem herunterskalierten Prototyp überprüft. Zu sehen ist, wie sich über den Makrotastgrad das Spannungsübersetzungsverhältnis beeinflussen lässt.

Strom- und Spannungsverläufe im Buck-Betrieb. (Bild: M. Nießen, TH Köln)

Die Abbildung zeigt den Buck-Betrieb mit periodisch eingefügten primärseitigen Freiläufen bei einem Makrotastgrad von D_Buck=3/5 .   (mit D=D_Buck/D_Boost)

Strom- und Spannungsverläufe im Boost-Betrieb. (Bild: M. Nießen, TH Köln)

Werden auf der Sekundärseite Freiläufe eingefügt, arbeitet der Konverter im Boost-Betrieb. Hier beim Makrotastgrad D_Boost = 2/3.

Die Leistungsunabhängigkeit des Spannungsübersetzungsverhältnisses wird im folgenden Bild beim Makrotastgrad D_Boost = 2/3 und einer übertragenen Leistung von 0W gezeigt.

Strom- und Spannungsverläufe im Boost-Betrieb bei einer übertragenen Leistung von null Watt. (Bild: M. Nießen, TH Köln)

Es zeigt sich ein bidirektionaler Energiefluss während der Makroperiode, während die übertragene Leistung null ist.

Während noch an Strategien zur Schaltentlastung und Frequenznachführung geforscht wird, stellt das präsentierte System eine Alternative zu gängigen Topologien dar. Gründe dafür sind Kosteneinsparungen bei Halbleitern und passiven Bauelementen, Bidirektionalität und weitreichende Sicherheitsfunktionen.

Derzeit wird an der  50kW Realisierung des Schaltungsansatzes gearbeitet.