MA – Konzepte für das galvanisch gekoppelte Laden von Nutzfahrzeugen

Erarbeitung und Bewertung von Konzepten für das galvanisch gekoppelte Laden von Nutzfahrzeugen

Kurzzusammenfassung

Batterieelektrische Nutzfahrzeuge haben große Batteriekapazitäten, um die erforderliche Reichweite zu erzielen. Die Batterien sollen in kurzer Zeit effizient aufgeladen werden, um das Fahrzeug bestmöglich für Transportzwecke nutzen zu können. Dazu können Gleichstrom-Ladegeräte verwendet werden, die allerdings einen hohen Kostenfaktor darstellen. Die notwendigen Investitionssummen hemmen den Ausbau der Ladeinfrastruktur und reduzieren die Attraktivität der elektrischen Nutzfahrzeuge. Galvanisch getrennte On-board-Wechselstrom-Ladegeräte stellen keine Lösungsoption für Nutzfahrzeug-Ladegeräte aufgrund der Kosten, des Bauraums und des Gewichts dar. In dieser Arbeit werden daher technische Lösungskonzepte für galvanisch gekoppelte bzw. nicht-isolierte Ladegeräte entwickelt.

Die auf Basis einer Literaturrecherche erarbeiteten Ladekonzepte werden anhand sinnvoll gewählter Kriterien verglichen. Zur Analyse werden Berechnungen und Simulationen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Maßnahmen zur Begrenzung der Ableitströme erforderlich sind, um die geltenden Normen einzuhalten. Dabei wird der Fokus auf ein sogenanntes „Floating Filter“ gelegt, durch das die Ableitströme von der Fahrzeugmasse auf eine innere Schleife verlagert werden. Durch die Maßnahme können die Ladekonzepte bei 50 kHz Schaltfrequenz und 150 kW Ausgangsleistung die normativen Grenzwerte einhalten. Die Konzepte haben bezogen auf die Mehrfachnutzung von elektrischen Antriebsstrangkomponenten unterschiedliche Integrationsgrade. In dieser Arbeit werden voll- und teilintegrierte, sowie separate Ladekonzepte entwickelt. Dazu werden die Anpassungsbedarfe zur Integration der Ladekonzepte in ein bestehendes elektrisches Fahrzeug beschrieben. Als zu bevorzugende Lösung stellt sich ein teilintegriertes Konzept heraus, das ausschließlich den Traktionsinverter doppelt verwendet und durch zusätzliche Induktivitäten ein Ladegerät bildet.

Abstract

Battery electric commercial vehicles have large battery capacities to achieve the required driving range. The batteries need to be charged efficiently in a short period of time to make the best possible use of the vehicle for transport purposes. DC chargers can be used for this task, but they are expensive. This restriction hinders the expansion of the charging infrastructure and reduces the attractiveness of electric commercial vehicles. Isolated on-board AC-chargers are not an option for commercial vehicle chargers due to high additional costs, space, and weight. Therefore, this thesis elaborates technical solutions for non-isolated chargers.

Based on a literature research various charging concepts are compared by means of reasonably selected criteria. To analyze the concepts, calculations and simulations are carried out. The simulation results reveal the necessity for measures to limit leakage currents. The focus is on a so-called “floating filter”, which shifts leakage currents from the vehicle ground to an inner loop. The influence of the filter-parameter on the leakage currents is investigated and described. This method enables the charging concepts to comply with the normative requirements at a switching frequency of 50 kHz and 150 kW output power. The concepts have different degrees of integration regarding the multiple use of electrical drive train components. In this work, fully and partially integrated as well as separate charging concepts are developed. For this purpose, the adaptation requirements for the integration of the charging concepts into an existing electric vehicle are described. A partially integrated concept turns out to be the favored solution, which uses only the traction inverter twice and forms a charging device by additional inductors.

The thesis shows which aspects must be considered when designing non-isolated chargers for vehicles and provides approaches to solutions. The elaborated charging concepts can be used for further development and implementation of non-isolated chargers in commercial vehicles.

Bearbeiter: Lars Keller

Betreuer: Stefan Endres (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761435; Email: Stefan.Endres@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März