Bidirektionales induktives Energieübertragungssystem für
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F R A U N H O F E R S Y S T E M F O R S C H U N G E L E K T R O M O B I L I TÄT 1 1 3D-CAD-Grafik des Gesamtsystems. BIDIREKTIONALES INDUKTIVES ENERGIEÜBERTRAGUNGSSYSTEM FÜR ELEKTROFAHRZEUGE Bidirektionales multifunktionales Multifunktionales Ladegerät Gesamtkonzept Der multifunktionale Systemansatz erlaubt Der Institutsteil Energiesystemtechnik des einen bidirektionalen Energiefluss, d. h. den Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt und Ladebetrieb und die Netzrückspeisung. Fraunhofer Systemforschung optimiert bidirektionale berührungslose, in- Diese Funktionalität wird durch das multi- Elektromobilität duktive und kabelgebundene Energieüber- funktionale Ladegerät bereitgestellt. Im tragungssysteme für Elektrofahrzeuge. dreiphasigen Betriebsmodus wird eine B6- Bauweisen und Infrastruktur Im Sinne eines bidirektionalen multifunktio- Brücke und somit alle Komponenten ver- Sprecher: nalen Gesamtkonzeptes wird das ein- und wendet. Im Gegensatz dazu werden im ein- Dr.-Ing. Bernhard Budaker dreiphasige kabelgebundene und das ein- phasigen Betriebsmodus nur zwei der drei phasige berührungslose induktive Laden Halbbrücken der B6-Brücke als sogenannte Kontakt: unterstützt. Eine multifunktionale Realisie- H-Brücke betrieben. Für den berührungslosen PD Dr.-Ing. habil. René Marklein rung hat wesentliche Vorteile bei der Auswahl induktiven Betrieb wird je nach übertragener Fraunhofer IWES der Leistungshalbleiter, Konzeption der Leistung die Anzahl an Halbbrücken bestimmt. Kühlung sowie der Selektion der passiven Telefon +49 561 7492-282 Bauelemente als auch der Mess- und Regel- Telefax +49 561 7492-200 systeme. Es erlaubt eine Kosten-, Volumen- rene.marklein iwes.fraunhofer.de und Gewichtsreduktion des Gesamtsystems im Vergleich zu herkömmlichen Topologien www.elektromobilitaet.fraunhofer. mit vergleichbarer Flexibilität in Bezug auf de/wpt die Wahl des Netzanschlusses oder der Option der Netzrückspeisung. © Fraunhofer - Gesellschaft Schema des multifunktionalen Ladegerätes. 3 4 Spulensystem für die berührungslose einer Übertragungsfrequenz von 140 kHz induktive Energieübertragung liegt bei einem Luftspalt von 20 cm bei ca. Virtuelle Batterie 95 % und durch eine speziell angepasste Bei der Entwicklung des bidirektionalen Das bidirektionale induktive Energieübertra- Regelung erreicht man sogar über den berührungslosen induktiven Energieüber- gungssystem setzt sich aus den folgenden gesamten Lastbereich einen Wirkungsgrad tragungssystems wird eine sogenannte Systemkomponenten zusammen: Spulen- von über 90 %. »Virtuelle Batterie« als Entwicklungs- system mit kapazitiver Kompensation, werkzeug eingesetzt. Damit können unter- flexibler Resonanzübertrager und einer Leis- schiedliche Batteriezustände simuliert wer- tungselektronik in bidirektionaler Konfigu- EMV und EMVU ration. Das Spulensystem erzeugt das elek- den, womit charakteristische Untersuchungen für unterschiedliche Ladungszustände tromagnetische Feld zur berührungslosen Das Fraunhofer IWES legt besonderen Wert sowie verschiedene Lade- und Entladezyk- induktiven Energieübertragung. Es besteht auf die elektromagnetische Verträglichkeit len durchgeführt werden können. aus zwei Spulensystemen, einem primären derartiger berührungsloser induktiver Energie- Spulensystem, welches in der Regel in den übertragungssysteme. Die Einhaltung der Parkplatz oder Garagenboden eingebettet EMV- und EMVU-Grenzwerte für das elekt- wird und einem sekundären Spulensystem, ro-magnetische bzw. dominierende das an der Unterseite des Fahrzeugs mon- magnetische Feld ist unbedingt erforderlich. • Entwicklung und Optimierung aller tiert bzw. im Unterboden integriert ist. Das Durch ein optimiertes Design der Spulen Spulensystem bildet ein Antennensystem, sowie der Abschirmung durch Ferrite und nenten welches im reaktiven Nahfeld primär induk- Aluminiumplatten werden die zu fordernden • Design und Optimierung von innovati- tiv gekoppelt ist und das »Herz« des be- ICNIRP-Grenzwerte eingehalten. rührungslosen Energieübertragungssystems leistungselektronischen Systemkompo- ven Spulensystemen • Numerische Simulationen des elektro- darstellt. Mit einer sogenannten Doppel-DSpulenkonfiguration erzielt man bei einem Unser Angebot Netzwechselrichter Luftspalt von 20 cm ein Kopplungsfaktor magnetischen Feldes im Zeit- und Frequenzbereich • Untersuchungen zur Interoperabilität von bis zu 0,33. Der Wirkungsgrad des Der Netzwechselrichter, der die notwendige • Einsatz einer »Virtuellen Batterie« Systems im Nennlastbetrieb von 3,3 kW bei Energie für die berührungslose Energie- • EMV-Untersuchungen in eigenen übertragung aus dem Verteilungsnetz zum Laden der Batterie zur Verfügung stellt, ist • Funktionserweiterung des Systems, aus modernsten leistungselektronischen Komponenten aufgebaut. Die Topologie akkreditierten Laboren z. B. IKT, Energiemanagement, Fremdkörpererkennung erlaubt einen bidirektionalen Betrieb und • Netzintegration und Prüfungen der ermöglicht somit Netzdienstleistungen und Netzkonformität »Smart Home«-Anwendungen. • Entwicklung von Geschäftsmodellen Simulierte Feldverteilung der magnetischen 3 Prototyp einer Doppel-D-Spule. Flussdichte des Doppel-D-Spulensystems. 4 Prototyp eines Vollbrücken-LLCResonanzkonverters.
