Power Management
So wird Vehicle to Grid Realität
Bidirektionale Wandler mit Dual-Active-Bridge-Technologie eignen sich für vielfältige Anwendungsbereiche – immer dort, wo Energie gespeichert, gewandelt oder transformiert werden soll. Mit der Antriebs- und der Energiewende kommt bidirektionalen Wandlern nun eine Schlüsselrolle zu.
Immer mehr Stimmen in der EU-Kommission fordern das Ende von Autos mit Verbrennungsmotor bis 2035. Doch mangelt es bisher noch am Ausbau der Ladeinfrastruktur. Bis die Vision eines Europas, das sich frei von Verbrennungsmotoren fortbewegt, Realität wird, ist es noch ein langer Weg. Zwar ist die Zahl der Ladestationen von 34.000 im Jahr 2014 auf 250.000 im September 2020 gestiegen, doch ist mit dieser Wachstumsrate das Ziel von einer Million öffentlicher Ladestationen im Jahr 2025 nicht zu erreichen. Hierfür müssten jedes Jahr 150.000 Ladepunkte gebaut werden, das würde 3000 neue Ladepunkte pro Woche bedeuten.
Beim Ausbau des Ladenetzes muss auch die Umstrukturierung des Energienetzes in Europa berücksichtigt werden. Konzepte wie »Vehicle to Grid« (V2G) erfordern auch die entsprechende Technik in den Ladestationen. Bidirektionale Wandler mit Dual-Active-Bridge(DAB)-Technologie kommen daher als wichtige Komponenten ins Spiel.
Der indische Ingenieurdienstleister L&T Technology Services (LTTS) zeigt auf, wie mit der DAB-Technologie Effizienzverluste vermieden werden können und durch ein modulares Design dennoch ein breiter Anwendungsbereich, unter anderem in der Elektromobilität, abgedeckt werden kann.
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Grundlagen der DAB-Technik
Bei der Umwandlung und Transformation von Strom entstehen Effizienzverluste. Diese sind typischerweise bei großen Unterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung besonders hoch. Durch patentierte technische Kniffe und mit einem vorteilhaften Design ist es LTTS jedoch gelungen, in einem Gleichspannungsbereich zwischen 300 und 1000 V einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent zu erreichen.
Der von LTTS entwickelte Ansatz besteht aus zwei bidirektionalen DC/DC-Wandlern, die sowohl die Abwärts- als auch die Aufwärtswandlung mit lediglich einer Einheit ausführen können. Zu seinen Merkmalen zählen
- Zweistufige Schutzfunktionen
- Aktuelle SiC-Gehäusetechnologien
- Modularität und Skalierbarkeit für das Stapeln auf bis zu 400 kW
- Wiederverwendbarkeit des Designs und verkürzte Markteinführungszeit
- Modularität und Skalierbarkeit für individuelle Kundenanforderungen
- Eignung für den globalen Markt
Das folgende technische Vorgehen erweist sich als hilfreich, um einen bidirektionalen, breiten Ausgangsspannungsbereich und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen:
- Regelungsmechanismen durch Firmware verbessern, um einen weiten Ausgangsspannungsbereich zu erreichen, wie zum Beispiel Variieren der Eingangs-Zwischenkreisspannung mit Feed-Forward-Schleife, unterschiedliche Pulsweitenmodulationen oder mehrphasiger Schichtbetrieb zwischen primär- und sekundärseitigen Brücken im DAB-Wandler
- Totzeit zwischen oberen und unteren Schaltern optimieren, um einen hohen Wirkungsgrad bei geringer Last zu erreichen
- Geeignete Leistungskomponenten wie Schaltgeräte, Magnete und Kondensatoren auswählen, um die Anforderungen an die Verlustleistung zu erfüllen
- Höherer Kupferanteil mit erhöhter Lagenzahl, um hohe Ströme ohne Stromschienen zu übertragen und auf diese Weise Kosten zu reduzieren
- Komponenten so auf der Leiterplatte und im Gehäuse platzieren, dass parasitäre Schleifen für eine bessere Hochfrequenzschaltleistung und ein effektives Wärmemanagement minimiert werden
- Zwischengeschaltete Stromschienen, um die Streuinduktivität zu minimieren und die Streukapazität zu erhöhen und auf diese Weise Resonanzfrequenzschwingungen zu vermeiden
- Transformator-Windungsverhältnis, Streu- und Magnetisierungsinduktivität sowie die Auswahl des Kern- und Wicklungsmaterials verbessern, um den Soft-Switching-Bereich und den Ausgangsspannungsbereich zu optimieren
- Zweistufiger Schutz: Hardware- sowie Softwareschutz mit schneller Reaktionszeit, um die SiC-Module unter allen Fehlerbedingungen zu erkennen und zu schützen
Beim DAB von LTTS handelt es sich um einen modularen Ansatz für das Design von Leistungsplatinen mit drei SiC-Halbbrückenmodulen, die für die Leistungswandlung zwischen AC und DC, DC und DC oder DC und AC verwendet werden können. Durch Reihen- und Parallelschaltung der Leistungsplatinen sind verschiedene kaskadierte Topologien und Leistungsstufen erreichbar. Der modulare Ansatz bringt einige Vorteile, denn er bietet mehr Flexibilität und senkt effektiv die Kosten des Designs.
- So wird Vehicle to Grid Realität
- Anwendungsfall Elektromobilität
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