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Akkus/Batterien

Energieeffizienzanforderungen in der Ladetechnik

2. Juni 2014, 14:11 Uhr | Von Arno Reinhard, Friwo

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Schaltungen zur Optimierung der Energieeffizienz

Werden die von der CEC definierten Grenzwerte vom bestehenden Ladesystem nicht eingehalten, muss das Ladegerät optimiert werden. Hier gibt es mehrere geeignete Ansatzpunkte zur Erfüllung der Werte. Für die Einhaltung des Grenzwertes E_24h ist der Wirkungsgrad des Leistungsteils entscheidend. Ein sehr guter Wirkungsgrad lässt sich vor allem durch die Wahl einer effizienten Topologie, z.B. LLC, flankiert durch weitere Maßnahmen wie eine Synchrongleichrichtung erreichen. Erweist sich dagegen das Einhalten des Grenzwertes (P_stby + P_m) als problematisch, müssen die Leerlaufverluste verringert werden. Hier wäre ein Hilfsnetzteil empfehlenswert (Bild 2).

Effizienz durch LLC-Topologie

Die LLC-Topologie ermöglicht gegenüber dem in klassischen Ladegeräten meist angewandten Sperrwandler-Konzept höhere Wirkungsgrade. Der Vorteil liegt dabei im spannungslosen Schalten der MOSFETs, dem sogenannten Zero Voltage Switching (ZVS). Im Vergleich zum herkömmlichen Schalten lassen sich Schaltverluste durch ZVS wesentlich reduzieren, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Gesamtsystems führt.

Ein weiterer Vorteil ist das weiche Schalten. Dabei werden die Schaltstörungen minimiert, was wiederum den Einsatz eines kleineren EMV-Filters ermöglicht und zu weniger Verlusten im Filterkreis führt. LLC steht außerdem für eine geringere Spannungsbelastung der primärseitigen MOSFETs sowie der sekundärseitigen Gleichrichter. Dies erlaubt die Verwendung leistungsstärkerer Halbleiter, wodurch Verluste noch weiter minimiert werden können.

Effizienz durch Synchrongleichrichter

Bei Ladegeräten wird ein Großteil der Verlustleistungen durch Gleichrichter in der Ausgangsstufe verursacht. Hierbei gilt die Regel: Je höher der Ausgangsstrom, desto größer die Verluste. Gerade in der heutigen Zeit spielen hohe Ausgangsströme und damit kurze Ladezeiten aber eine immer bedeutendere Rolle: Radfahrer wollen mit ihren eBikes keine unnötig langen Pausen einlegen, Handwerker wollen ihre Werkzeuge nach kürzester Ladezeit wieder einsetzen können.

Um trotz hoher Ausgangsströme die Grenzwerte nach CEC einhalten zu können, müssen diese Verlustleistungen möglichst weit eingegrenzt werden. Dabei hilft eine Synchrongleichrichtung (Bild 3): Hier wird der Gleichrichter aus dem klassischen Ladegerätekonzept – typischerweise eine Diode – durch einen geschalteten FET ersetzt. Der Vorteil des MOSFET ist dabei ein wesentlich niedrigerer Spannungsabfall bei hohen Ausgangsströmen.

Effizienz durch ein Hilfsnetzteil

Auch wenn die Grenzwerte gemäß CEC für E_24h eingehalten werden, kann sich die Einhaltung von (P_stby + P_m) als problematisch erweisen. Die Leistungsaufnahme während des »Battery maintenance mode« P_m kann vom Ladegerät kaum oder gar nicht beeinflusst werden, da hier starke Abhängigkeiten zu anderen Faktoren, z.B. Akkuchemie oder dauerhafte Anzeigen im Akku, bestehen. Zur Erfüllung des Grenzwertes (P_stby + P_m) ist also vor allem die Optimierung der Standby-Verluste entscheidend. Generell lässt sich festhalten: Je geringer die Akkukapazität ist, desto wichtiger wird das Thema Standby zur Einhaltung des CEC-Standards (vgl. Tabelle 2).

Ein Lösungsansatz kann hier ein Hilfsnetzteil sein. Mit einem auf niedrige Leistungen abgestimmten Netzteil kann das Leistungsteil eines Ladegerätes aktiv abgeschaltet werden, was die Leerlaufverluste eines Ladesystems deutlich verringert. Dabei können Ladegeräteentwickler von bereits bestehenden Schaltungskonzepten sehr effizienter Kleinleistungsnetzteile nach ErP/EnergyStar-Vorgaben profitieren.