Universeller Energiewandler für
hybride Antriebssysteme
FuE-Vorhaben, gefördert durch das BMWi im Programm INNO-WATT
Partner im Projekt:
AUCOTEAM GmbH, Berlin und
Hörmann IMG / Nordhausen
Die allgemein wachsende Umweltbelastung und die damit verbundenen globalen Klimaveränderungen erfordern mehr denn je einen nachhaltigen, sparsamen Umgang mit den vorhandenen fossilen Ressourcen. Demgegenüber steht der wachsende Wunsch nach Mobilität, der im direkten Zusammenhang mit dem Ausstoß von CO2, Monoxiden und kanzerogenen Anteilen steht.
Wodurch zeichnet sich eine
moderne Gesellschaft mit
wirtschaftlicher Prosperität aus?
Durch Mobilität und Verkehr!
Das Fazit - die Mobilität hat einen sehr hohen Stellenwert für die Wirtschaft und die Gesellschaft.
Den Aufruf zur Sicherung von nachhaltiger und umweltfreundlicher Mobilität gilt es, sowohl aus politischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht, zu fokussieren. Neuartige Antriebslösungen mit modernster Hybrid- und Speichertechnik können diesem Anspruch gerecht werden. Folglich wird diesen Themen eine immer größere Bedeutung zugemessen. Die besondere Bedeutung drückt sich auch in aktuellen Förderprogrammen der Bundesregierung zur Elektromobilität aus.
Das FuE-Kooperationsprojekt zwischen den Firmen Hörmann IMG GmbH und AUCOTEAM GmbH beinhaltet die Entwicklung eines universellen elektrischen Energiewandlers zur Ansteuerung von Hybrid-Komponenten in Fahrzeugen sowie für den Prüfstandsbetrieb. Mit diesem Projektvorhaben wurde begonnen, sich einer technologischen Herausforderung zu stellen.
Ein Hybridantrieb besteht aus deutlich mehr Teilsystemen als ein konventioneller Antriebsstrang. Zu den wichtigsten Komponenten zählen der Verbrennungsmotor, der Generator, das Energiemanagement, der elektrische Speicher, die Fahrsteuerung und der elektrische Fahrmotor. Die unterschiedlichen Betriebszustände der einzelnen Komponenten erfordern einen universellen Energiewandler, der in der Lage ist, als steuerbare Energiequelle oder Energiesenke das Verhalten der Umgebung eines Hybridsystems nachzubilden. Der Wandler soll bei unterschiedlichen Eingangsspannungen und Frequenzen das Aufladen eines oder mehrerer Speicher gestatten und die Leistungsentnahme bei den erforderlichen Spannungsebenen (12 VDC, 24 VDC, 42 VDC, 230 VAC, 380 VAC und Zwischenstufen) ermöglichen. Weiterhin soll der Energiewandler in der Lage sein, einen im Fahrzeug befindlichen bzw. auf einem Prüfstand montierten elektrischen Fahrmotor mit der gewünschten Spannung und Frequenz anzusteuern.
In der folgenden Abbildung ist die allgemeine Struktur des universellen Energiewandlers mit angekoppelten Komponenten und einer PC-gestützten Ablaufsteuerung dargestellt:
Das Prüfstandskonzept zum Projekt „Universeller Energiewandler“ ist grundsätzlich wie folgt aufgebaut:
Damit für den Energiewandler ein breit gefächertes Anwendungsspektrum erschlossen werden kann, ist das entwickelte System nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. Durch eine flexible Gestaltung und den modularen Systemaufbau sind weitere Anwendungen, z.B. hybride Antriebssysteme für schienengebundene Fahrzeuge/Straßenbahnen, Prüfstände für elektrische Energiespeicher, Fahrzeuggetriebe und Motoren, möglich.
Das Lösungskonzept des Kooperationspartners Hörmann IMG besteht aus mehreren kleineren Einheiten, wodurch die Modularität und eine höhere Redundanz gewährleistet sind. Der Input geht von einer Einspeisung eines Dreiphasen-Wechselstromes (3Ph+PE) einer Phasenspannung (gegen - fiktiven - Neutralleiter) von 300…500 VAC und einer Frequenz von 50…60 Hz aus. Es kann eine max. Leistung von beispielsweise 100 kW eingespeist werden. Mittels Umrichter wird aus der Zwischenkreisspannung eine dreiphasige Wechselspannung 400 VAC generiert.
Ein Sternpunktbildner organisiert einen Nullleiter, der die Bereitstellung von 230 VAC Wechselspannung ermöglicht.
Innerhalb der Umrichtertechnik erfolgt eine aktive Phasensymmetrierung, da über die 230 VAC eine unsymmetrische Belastung des dreiphasigen Netzes entstehen kann. Ein Sinusfilter führt zur Einhaltung der EMV -Verträglichkeit bzw. zur Einhaltung der netzseitigen Störgrößen. Eine CAN-Bus – Implementierung ist vorgesehen; Abmaße bei 100 kW: 800 x 700 x 250; Gewicht: 100 … 125 kg.
Ein Applikationsbeispiel ist das Antriebssystem eines Spezialfahrzeuges mit
- einem Hybridsystem mit elektrischen Radnabenmotoren
- einem Lithium-Ion Energiespeicher
Hervorzuhebende Merkmale dieses Spezialfahrzeuges sind:
- Drehen des Fahrzeuges auf der Stelle
- Optimales Beschleunigungsvermögen
- Individuelle Ansteuerung der einzelnen Räder des Fahrzeuges
Bild unten: Blockschaltbild Hybridantriebssystem
für ein Spezialfahrzeug
Bild oben:
Der speziell neu entwickelte universelle Energiewandler stellt eine wichtige Komponente in der Elektromobilität dar. Alle renommierten deutschen Automobilhersteller konzentrieren sich gegenwärtig auf die Entwicklung und Realisierung von hybriden und elektrischen Fahrantrieben.
Das elektrische Antriebssystem besteht aus 4 elektrischen Radantriebsmaschinen, 2 Doppelfahrumrichtern und einem Lithium-Ion Energiespeicher. Der Energiespeicher hat eine maximale Leistung von 35 kW und übernimmt die energetische Versorgung der Radantriebe und die Bordnetzversorgung des Fahrzeuges.
Die Aufladung des Energiespeichers und die damit verbundene Ladezeit über das Energieversorgungsnetz sind Schwerpunkte, die die Attraktivität der Elektrofahrzeuge mit definieren werden. Für diese Thematik muss eine ingenieurtechnische Lösung gefunden werden. Der universelle Energiewandler ist dafür eine gute Ausgangsbasis.
Ein weiterer Meilenstein für die Elektromobilität ist neben dem universellen Energiewandler der kombinierte Laderegler.
Die Weiterentwicklung des universellen Energiewandlers zu einem kombinierten Laderegler erreicht das gezielte Laden sowie Entladen des Energiespeichers. Das Laden des Energiespeichers erfolgt im Fall der Rekuperation und das Entladen erfolgt aus der Netzrückspeisung aus dem Energiespeicher in Spitzenzeiten. Ein externer Batterieladevorgang kann dabei sowohl aus dem europäischen als auch dem nicht europäischen Netz erfolgen. Die Entwicklung eines speziellen mobilen Ladegerätes, das aufgrund geringen Volumens und Gewichtes leicht integriert werden kann, stellt natürlich hohe Anforderungen an technische Innovationen.
Das ist die Lösung zur Umsetzung von nachhaltiger und umweltfreundlicher Mobilität! Warum soll Energie verloren gehen, wenn sie sinnvoll wieder nutzbar gemacht werden kann?
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt befinden sich Elektrofahrzeuge an der Schwelle zum Markteintritt und werden in den bevorstehenden Jahren zunehmend das Straßenbild mit prägen.
Dipl.-Ing. Sven Gebhardt,
Hörmann IMG / Nordhausen
Dr. Günter Hanusch,
AUCOTEAM GmbH, Berlin
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