Stromversorgung an Hybridfahrzeugen

Fachartikel: Stromversorgung im Bereich Hybrid Technik
Hybrid-Fahrzeugtechnologie
Neue Märkte – Neue Chancen für anspruchsvolle Stromversorgung
Ladung von Elektromotoren in Hybrid-Fahrzeugen
15.12.2008
1. Kraftfahrzeuge mit umweltschonender Hybrid-Technologie
Jeder Pkw-Fahrer freut sich, wenn sein Fahrzeug weniger Treibstoff (Benzin oder Diesel)
verbraucht. Wo der Privatmann, durch Einschränkung seiner Fahrten weniger Kraftstoff
verbraucht, sind alle anderen auf eine Technologie angewiesen, die es ermöglicht den
Verbrauch zu reduzieren. Eine solche Möglichkeit bietet der Auto Hybridantrieb oder auch
kurz Hybrid Motor genannt.
Hierbei werden ein Benzin- oder Dieselmotor (Verbrennungsmotor), ein drehmomentstarker Elektromotor sowie natürlich
eine Batterie (Abbildung 1) verwendet. Hierdurch wird der Benzinverbrauch um bis zu die Hälfte drastisch reduziert.
Auch eine Abnahme um den gleichen Faktor bei den Emissionen (Verbrennungsmotor Durchschnittswert ~200 gr/km;
bei Hybrid-Fahrzeugen ~100 gr/km) ist keine Seltenheit.
Abbildung 1: Prinzipdarstellung eines „seriellen“ Hybrid-Fahrzeuges
1.1 Wie funktioniert diese Technik im Auto?
Beim Startvorgang eines Hybrid-Autos, kommt zuerst der Elektromotor zum Zuge. Ab einer Geschwindigkeit von 25-30
Stundenkilometer wird der Motor (Diesel oder Benziner) gestartet (Abbildung 2: „Start des VM“ im Bild). Halten Sie nun
vor einer Ampel, wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet und der Elektromotor ist wieder in Bereitschaft. Der
Elektromotor wird dabei von einer Batterie versorgt. Aufgeladen wird diese Batterie z.B. bei jedem Bremsvorgang. So
wird weniger Sprit verbraucht mit dem zukunftsweisenden System des Hybrid Motors.
Abbildung 2: Signaldarstellung des Hybridantriebs im Verbrennungsmotor (VM) und Elektrischer Motor (EM)
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1.2 Für wen lohnt sich ein Auto mit Hybrid Motor?
Hier profitieren am meisten die Stadtfahrer oder Kurzstreckenfahrer (auch Überlandfahrer), siehe Abbildung 2: „4 x
Stadtanteil“ oder „1 x Überlandanteil“. Beim Bleifuß- oder Kick-down Fahrer wird sich der Verbrauch nicht reduzieren.
Auch Autofahrer, die eher selten ihr Fahrzeug starten, werden keine großen Veränderungen bemerken, da der Kaufpreis
eines Hybriden etwas höher liegt. Aber jedem, dem der CO2-Ausstoss und die Umweltfolgen am Herzen liegt, sei ein Kfz
mit Hybridantrieb empfohlen. Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit ist für diese Technologie die oberste Priorität.
1.3 Zusammenfassung der Vorteile des Auto Hybrid Motors
1.3.1 Benzinkosten senken durch weniger Benzinverbrauch
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Autos mit Hybridantrieb verbrauchen wesentlich weniger Benzin als herkömmliche Fahrzeuge mit
Verbrennungsmotoren und stoßen somit deutlich weniger Schadstoffe aus. Spritkosten sparen!
Einstufung in die steuerbegünstigte Kfz-Steuerklasse Euro 4 ist ohne Probleme möglich. Steuern sparen!
Durch das hohe Drehmoment des E-Motors können "Hybridmodelle" bei gleicher Leistung wesentlich schneller
beschleunigen als Fahrzeuge mit Benzin- oder Dieselmotor. Wichtig in kritischen Situationen!
Hybridfahrzeuge leisten einen erheblichen Anteil zum Klimaschutz. Umweltfreundlichkeit!
1.3.2 Hybrid Fahrzeuge sind deutlich leiser als herkömmliche Fahrzeuge
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Der Verbrennungsmotor läuft bei normaler Fahrt mit niedriger Drehzahl.
Bei einigen "Hybriden" läuft der E-Motor auch allein, z.B. beim Anfahren oder bei langsamer Fahrt. Hierbei ist
das Fahrzeug fast nicht zu hören.
Die Motoren werden im Stand abgeschaltet. Der Lärmpegel sinkt erheblich ab.
1.3.3 Hybridantriebe haben weniger Verschleiß
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Im Zusammenwirken mit dem Elektromotor läuft der Verbrennungsmotor immer im günstigsten
Drehzahlbereich. Abwürgen oder Überdrehen des Verbrennungsmotors ist durch die Steuerelektronik nicht
möglich.
Der E-Motor bewirkt ein schonendes Anlassen. Beim Starten wird der Verbrennungsmotor ohne Kompression
und Zündung auf Leerlaufdrehzahl gebracht. Erst wenn Öldruck und Schmierung erfolgt sind, werden die
Zylinder gezündet.
Der E-Motor ist einfach gebaut und wartungsfrei.
Einige Hybrid Autos funktionieren ohne Kupplung und herkömmliches Getriebe.
Die regenerativen Bremsen arbeiten berührungslos. Die hydraulischen Bremsen greifen erst bei stärkerem
Pedaldruck, das schont die Bremsbeläge.
2. Anforderungen an Externe Ladesysteme für eine E-Motor Batterie
Hybridfahrzeuge werden, wie Elektrofahrzeuge auch, mit unterschiedlichen Batterietechnologien für Batteriespannungen
und Ladeströmen ausgerüstet. Damit während des Ladevorganges Fehler vermieden werden und gleichzeitig
sichergestellt wird, dass das externe Ladegerät alle gegenwärtigen vorliegenden und zukünftig möglichen Batterien
laden kann, muss der Ladevorgang vom Fahrzeug geprüft werden.
Jedes Fahrzeug, das an ein externes Ladesystem angeschlossen werden soll, muss eine Ladesteuereinheit besitzen,
die den Ladevorgang überwachen und steuern kann.
2.1 Ladevorgang eines externen Stromversorgungsgerätes
Das externe Ladegerät muss eine Gleichspannung (DC) und einen geregelten Gleichstrom für die Fahrzeugbatterie
liefern. Die Daten für Ladespannung (Uset) und Ladestrom (Iset) müssen auch an dem externen Stromversorgungsgerät
gemessen werden.
Wenn die Fahrzeugladesteuereinheit diese Messungen durchführt, könnte somit ein vollständig redundantes System
aufgebaut werden, um ein Ladesystem mit hoher Sicherheit zu gewährleisten.
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Folgende Bedingungen müssen hierzu eingehalten werden:
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Die Ladeparameter müssen von der Fahrzeugladesteuereinheit vorgegeben und an das externe
Stromversorgungsgerät übertragen werden und sind dort als Sollwerte (Uset und Iset) zu verwenden.
Die während des Ladens gemessenen Werte werden vom externen Stromversorgungsgerät zur
Fahrzeugladesteuereinheit übertragen.
2.2 Mögliche Sollwert-Daten eines externen Stromversorgungsgerätes für einen Kfz E-Motor
Abhängig vom Einsatzbereich (E-Motor Performance) sind unterschiedliche Sollwert-Daten für den Ladevorgang
möglich. Häufig werden Ausgangsspannung und Ausgangsstrom regelbar von der Stromversorgungseinheit bestimmt.
Ausgangsleistungen von 12 bis 15 kW (Sollwert-Daten von Uset bis 400V bzw. Iset bis 100A) sind hierbei die typischen
Versorgungs-Kenngrößen.
2.2 Sicherungsverfahren
Selbstverständlich ist bei Ladeströmen dieser Größenordnung der Sicherheitsaspekt ein sehr wichtiger Gesichtspunkt.
Der Beginn des Ladevorganges muss sowohl von der externen Stromquelle als auch von der Fahrzeugladesteuereinheit
freigegeben werden. Der Ladevorgang sollte zu jedem Zeitpunkt vom externen Ladegerät oder der
Fahrzeugsteuereinheit beendet werden. Wichtig an dieser Stelle ist, dass im Falle einer Störung oder Unterbrechung
der Lade-Vorgang sofort von dem Ladegerät oder der Steuereinheit unterbrochen wird.
3. Professionelle Stromversorgungsgeräte von GMC-I Messtechnik
Moderne Stromversorgungsgeräte sind in Schaltregler-Technologie ausgeführt, um auch bei diesen Geräten höhere
Wirkungsgrade zur Reduzierung von Gewicht und Volumen zu erzielen. Allerdings benötigen Schaltregler im
Ausgangskreis ein entsprechendes Filter mit Ausgangskondensator. Dieser Kondensator, dessen Größe je nach
Leistung bei einigen Tausend µF liegen kann, bestimmt in direkter Linie das dynamische Verhalten. Für das Erzielen
kurzer Einstellzeiten von niederen zu höheren (rise time) Ausgangsspannungen muss zusätzlich zum Laststrom ein
ausreichend hoher Ladestrom zulässig sein. Dieser Ladestrom beeinflusst damit die Dimensionierung des gesamten
Leistungsteils bis zum Netzeingang.
Für die andere Richtung, dem Herabsetzen (fall time) der Ausgangsspannung, ist für eine schnelle Entladung zu sorgen.
Da nicht immer von einem ausreichend hohen Laststrom ausgegangen werden kann, ist die Entladung durch das
Stromversorgungsgerät selbst zu lösen. Für eine Beschleunigung der Entladefunktion gibt es die Möglichkeit, diese über
eine integrierte dynamische Last oder Stromsenke zu erreichen. Dieses Konzept kommt auch bei der SYSKON P-Serie
zur Anwendung.
3.1 Das GMC-I Verschaltungskonzept: SYSKON K18000
Um in der Hybrid-Fahrzeugtechnologie den geeigneten Ladestrom zu gewährleisten hat die Firma GMC-I Messtechnik
GmbH in Nürnberg ein neues Verschaltungskonzept entwickelt. Die hochpräzisen Stromversor-gungsgeräte der Reihe
SYSKON P4500 (Abbildung 3: Front- und Rückansicht) sind für diesen Anwendungsbereich perfekt geeignet. Die
Leistungsstarken Geräte haben neben Ihrer programmierbaren Eigenschaft auch hervorragende technische Daten im
Leistungsgrenzbereich vorzuweisen:
Technische Daten: SYSKON P4500:
Einstellzeiten im Leerlauf / Nennlast:
Einstellgenauigkeit (zw. 18-28C):
Messgenauigkeit (zw. 18-28C):
Wirkungsgrad bei Volllast:
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Uset = 0V Uset (rise time) = 7ms / 19ms
Uset = Uset 0V (fall time) = 70ms / 11ms
Spannung = 0,1% , Strom = 0,15%
Spannung = 0,1% , Strom = 0,8% , Leistung = 1%
82%
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Abbildung 3: SYSKON P4500 Front- und Rückansicht
Dieses Spitzenmodel der SYSKON P-Serie (Markteinführung: Januar 2009) ermöglicht im Single Betrieb eine maximale
Leistungsabgabe von 4500W mit den Ausgangsdaten Uset = 60V und Iset = 75A, oder Uset = 25V und Iset = 180A
(Abbildung 4: Ausgangskennlinie eines SYSKON P4500).
70
37.5 A
60.0 V
60
75.0 A
60.0 V
Leistungskennlinie
SYSKON P4500
60-180 SYSTEM KONSTANTER
230 VAC: 4500 W
115 VAC: 2250 W
50
Ua / V
40
30
180.0 A
25.0 V
20
180.0 A
12.5 V
10
0
0
10
20 30
40 50 60
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
Ia / A
Abbildung 4: Ausgangsleistung eines SYSKON P4500
Das Verschaltungskonzept SYSKON K18000 (Abbildung 5) wird mit einer Master-Slave Verbindung von vier in Reihe
geschalteten SYSKON P4500 Modellen über die rückseitige Analoge Schnittstelle realisiert. Mit dieser Verschaltung ist
eine Ausgangsspannung von max. Uset = 240V und ein max. Iset = 75A möglich. Dies entspricht einer maximalen
Ausgangsleistung von Pout = 18000W.
Master
Slave
Slave
Slave
Abbildung 5: Verschaltungskonzept - SYSKON K18000
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Zur einfachen und schnellen Bedienung von rechnergesteuerten Systemen besitzt der SYSKON KONSTANTER
standardmäßig eine komfortable Software. Ihr zentrales Element ist das Soft-Front-Panel, SFP (Abbildung 6), welches
über eine USB Schnittstelle an der Geräte-Frontseite verbunden werden kann.
Abbildung 6: Soft-Front-Panel (SFP)
Weitere Informationen und Daten über die KONSTANTER der SYSKON P-Serie sind auf der folgenden
GMC-I Webseite Verfügbar: http://www.gossenmetrawatt.de/deutsch/produkte/syskonp15004500.htm
Erstellt in Deutschland • Änderungen vorbehalten
Kevork-Deniz Vartanoglu
Dipl.-Ing. (FH)
Product Manager
Power Supply
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