Elektromobilität Ladegerät effizient entwärmen

Um Elektrofahrzeuge von festen Ladestationen unabhängiger zu machen und die Flexibilität zu erhöhen, sind zunehmend auch mobile Ladekonzepte nötig. Ein Ladegerät, das im Fahrzeug mitgeführt wird, muss zugleich leicht und effizient sein. Der Entwärmung kommt da eine Schlüsselrolle zu.

Moderne Elektrofahrzeuge stellen nicht nur hohe Anforderungen an Batterie und Antrieb, sondern auch an ein schonendes und effizientes Ladesystem. Sie sollen den Zugang zu Strom auch an Örtlichkeiten sicherstellen, an denen die Abdeckung durch Ladestationen nicht ausreichend gewährleistet ist – schnell, sicher, bequem und zuverlässig.

Der Geschäftsbereich Elektronik bei Heitec hat ein solches mobiles Ladegerät für ein Plug-in-Hybrid-Automobil eines großen Automobilherstellers realisiert. Bei der detailgetreuen Umsetzung des
vorgegebenen Designs war ein umfangreicher Anforderungskatalog zu beachten. Neben den elektrischen Anschlusswerten war ein möglichst kompakter Aufbau in einem ansprechenden Gehäuse Pflicht, das mit dem Gesamtdesign harmonisierte. Parallel dazu lag die Messlatte durch die stringenten Vorgaben der Automobilindustrie an Zuverlässigkeit, Robustheit und Sicherheit sehr hoch. Heitec verantwortete Entwicklung, Integration und Fertigung der kompletten Elektronik sowie der mechanischen Bestandteile und der Systemtechnik.

Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine »intelligente« Ladeelektronik, die den zum Laden einer Lithium-Ionen-Traktionsbatterie erforderlichen Gleichstrom aus einem haushaltüblichen 230-V-Netz erzeugt, also für die AC/DC-Wandlung sorgt, verpackt in einem handlichen Designergehäuse. Der Plug-in-Hybrid lässt sich so an jeder Haushaltssteckdose aufladen. Durch das mobile Design kann man die Ladebox bei Bedarf auch im Fahrzeug mitführen, um jederzeit die Fahrzeugbatterie laden zu können. Im Vergleich zu einem in der Garage fest installierten Ladesystem oder einer öffentlichen Ladesäule bietet diese Lösung also die vielfach geforderte, größtmögliche Flexibilität für den Anwender.

Aus der beabsichtigten bedienerfreundlichen Handhabung ergeben sich weitere Anforderungen: Das Design muss einfach zu handhaben sowie stabil, sicher und gewichtsoptimiert sein, obwohl – und darin besteht die Herausforderung – ein Großteil der Elektronik vom Fahrzeug in die Ladebox ausgelagert ist. Ein wesentlicher Aspekt des externen Ladekonzepts ist, dass am Fahrzeug Gewicht eingespart, der Verbrauch reduziert und damit die Reichweite entsprechend erhöht werden kann.

Das mobile Ladegerät setzt sich aus der eigentlichen Ladeelektronik und den Steuereinheiten zusammen, die das Aufladen eines Fahrzeugs mit Gleichstrom bewerkstelligen. Das Fahrzeug kann in 120 Minuten geladen werden, um damit maximal 30 km zurückzulegen. Um ein zuverlässiges Lademanagement sicherzustellen, musste neben der Leistungselektronik ein leistungsfähiges Kommunikationssystem integriert werden, das zwischen Box und Batterie Informationen über Lade- und Sicherheitsparameter austauscht. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, wird unter anderem kontinuierlich die Güte der Isolierung geprüft und das Auftreten von Fehlströmen überwacht.

Nach Beenden des Ladevorgangs schaltet die Ladebox auf »Erhaltungsladung« um. In diesem Modus wird die schleichende Entladung einer nicht genutzten Batterie verhindert. Zudem ist die Box spannungsfrei, bis sie mit dem Fahrzeug verbunden wird. Dafür implementierten die Entwickler zahlreiche Schutz- und Sicherungsmaßnahmen – gegen Kurzschluss, Überlade- und Überspannungsschutz als auch Sicherung der Stromabgabe.