STRUKTURSTUDIE - page 27

Aktuell befindet sich der Inverter meist in einem separaten Ge-
häuse. Dies verursacht großen Aufwand bei der Verkabelung und
den Verbindungen. Bedingt durch die hohen Ströme sowie Anfor-
derungen an Isolierung und Abschirmung der Kabel ergeben sich
hohe Kosten und ein hohes Gewicht. Auch die Steckverbindungen
müssen hohen Anforderungen genügen. Es wird daher daran ge-
arbeitet, den Wechselrichter direkt an der elektrischen Maschine
anzubringen. Damit könnte auch die Zwischenkreiskapazität redu-
ziert werden und sowohl auf ein separates Gehäuse verzichtet als
auch ein gemeinsames Kühlsystem zwischen Wechselrichter und
E-Motor ermöglicht werden. Um die Integration der Leistungselek-
tronik in den E-Antrieb allerdings tatsächlich umsetzen zu können,
müssen zuerst die Komponenten des Inverters zuverlässig den
Forderungen nach Robustheit gegen Vibration und Hitzeeinwir-
kung entsprechen [Cebulski (2011)].
GLEICHSPANNUNGSWANDLER
Neben dem Inverter zählen auch Gleichspannungswandler (DC/
DC-Wandler) zur Leistungselektronik. Diese erzeugen aus einer
(variablen) Eingangs-Gleichspannung mithilfe von leistungselek-
tronischen Elementen eine höhere oder niedrigere Ausgangs-
Gleichspannung. Für die Schaltungs-Topologie kommen verschie-
dene Varianten infrage. Wichtigstes Kriterium bei deren Auswahl
ist der Betrag und die Güte der verwendeten bzw. zu erzeugenden
Spannungen und Ströme [Cebulski (2011)].
Gleichspannungswandler können etwa dazu eingesetzt werden,
einem Inverter eine von der Batteriespannung unabhängige Ein-
gangsspannung zur Verfügung zu stellen. Hierdurch erreicht man
eine stets konstante Spannung im Zwischenkreis des Inverters.
Dies wirkt sich positiv auf die Größe einer elektrischen Maschi-
ne aus, die für eine angestrebte Antriebsleistung erforderlich ist.
Außerdem machen Gleichspannungswandler kleinere Antriebs-
batterien bei einem gleichbleibenden Spannungsniveau im An-
triebsstrang möglich. Sie werden des Weiteren zur Verbindung
von Niedervolt-(NV-) und Hochvolt-(HV-)Bordnetz benötigt, wobei
hierzu sogenannte galvanisch getrennte Gleichspannungswandler
ohne direkte elektrische Leitung zum Einsatz kommen. [Hofmann
(2014)].
LADEGERÄT
Um ein Elektrofahrzeug extern laden zu können, beispielsweise
über das Stromnetz, ist ein Ladegerät notwendig. Dieses passt den
externen Spannungspegel an die zum Laden der Batterie erforder-
liche Batteriespannung an.
Abbildung 15 zeigt einen typischen Verlauf der Zellspannung (in
Volt) sowie die Stromstärke (in Ampere) für den Ladeprozess über
die Zeit für eine Lithium-Ionen-Batterie auf. Des Weiteren ist ein
beispielhafter Entladeprozess abgebildet. Die Darstellung zeigt
den Verlauf des Ladezustands (State of Charge, SoC). Deutlich zu
sehen ist hierbei, dass bereits innerhalb kurzer Zeit etwa 70 % SoC
erreicht werden. Das Erreichen der 100-%-Marke ist allerdings mit
zusätzlicher Zeit und abnehmender Ladestromstärke verbunden.
Das Ladegerät kann entweder im Fahrzeug (On-board-Charging)
installiert oder als externes Gerät in der Ladesäule verbaut sein
(Off-board-Charging). Das Off-board-Charging wird meist bei der
Schnellladung eingesetzt. Hierbei wird bereits in der Ladestation
Gleichstrom für die Batterie erzeugt.
Das Ladegerät besteht in erster Linie aus Gleichrichtern (AC/DC-
Wandler) für die Umwandlung von Wechselstrom aus dem Netz in
einen Gleichstrom mit hoher Spannung zur Ladung der Batterie.
Für die Umwandlung von Drehstrom (3-Phasen-Wechselstrom)
können die Ladegeräte aus drei unabhängigen AC/DC-Wandlern
bestehen oder aus einem integrierten Drehstromsystem. Soll
Strom aus dem Fahrzeug auch zurück in das Netz eingespeist
werden, müssen die Wandler bidirektional ausgeführt werden und
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Stromstärke in A | Ladezustand in Ah
Spannung in V
Zeit in h
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laden
entladen
100 % SOC
Stromstärke
Spannung
Ladezustand
Abbildung 15: Lade- und Entladekurven einer Lithium-Ionen-Zelle bei Schnellladung.
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Lutz (2008).
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