Die globale Erwärmung und die Endlichkeit fossiler Brennstoffe zwingen zum Umdenken und damit zur Entwicklung umweltfreundlicher Energiesysteme. Smart-Grids, die unter anderem auf erneuerbaren Energien beruhen, gewinnen daher seit einigen Jahren zunehmend an Bedeutung und bereiten einer umweltfreundlichen Energieversorgung den Weg. Der Strom wird dabei aus natürlichen Ressourcen wie Wind und Sonne gewonnen, wobei beide im Laufe eines Tages mal mehr, mal weniger verfügbar sind. Die daraus resultierenden Schwankungen im Energieertrag müssen dem Energiebedarf angepasst werden, der im Laufe des Tages ebenfalls variiert. Stromnetze verbinden hierzu eine hohe Anzahl verteilter Energiequellen mit den Verbrauchern. Hier schließt sich der Kreis zu den zukünftigen Mobilitätskonzepten basierend auf elektrischer Antriebstechnologie. Diese neuen Fahrzeugkonzepte und erneuerbare Energiequellen sind Megatrends in der Automobil- und Energietechnik.

Um die Netze nicht zu überlasten, muss zum Beispiel das Ladeverhalten der Nutzer analysiert und gesteuert werden. Welche Herausforderungen ergeben sich im Detail? Ein wichtiger Aspekt ist der fundamentale Wandel im Bereich der Entwicklung und der Absicherung der elektrischen Fahrzeugkonzepte. Dabei beschränken sich die Entwicklungsaktivitäten nicht mehr nur alleine auf das Fahrzeug; auch die Ladetechnologie und die Anbindung an die elektrischen Netze müssen betrachtet werden.

Ohne echtzeifähige Entwicklungs- und Test­systeme können weder E-Fahrzeuge noch Smart-Grid- oder andere Lösungen auf den Markt gebracht werden.

Ohne echtzeifähige Entwicklungs- und Test­systeme können weder E-Fahrzeuge noch Smart-Grid- oder andere Lösungen auf den Markt gebracht werden. dSPACE

Elektrofahrzeuge

Durch die Elektrifizierung der Antriebsaggregate müssen neue Komponenten wie Hochleistungsenergiespeicher, Leistungselektronik und elektrische Traktionsantriebe entwickelt, integriert und getestet werden. Mit dem Wegfall der Verbrennungskraftmaschine müssen zudem bereits bekannte Komponenten wie Servolenkung, Klimaaggregat und Bremssystem an die Anforderungen eines Elektrofahrzeuges adaptiert werden. Leistungselektronik und elektrische Antriebe sind auch hier die Lösung, um die konventionellen Systeme aus Hydraulik und Riemenantrieben zu ersetzen.

Ladesäule

Mit einem Tankstopp verbinden die meisten Autofahrer traditionell eine kurze Pause von etwa 5 Minuten, um unkompliziert 1000 km Reichweite nachzufüllen. Damit die Ladesäulen einer Stromtankstelle über die gleichen Eigenschaften verfügen, sind einige technische Hürden zu nehmen. Um das Schnellladen mit Leistungen von über 22 kW zu ermöglichen, muss die Wechselspannung bereits in der Ladesäule in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Hierfür kommen aktive Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur zum Einsatz, die entsprechend der Norm EN61000-3-2 netzkonform arbeiten müssen. Damit die Fahrzeugbatterie trotz der sehr hohen Ladeleistung nicht zu Schaden kommt, müssen die Ladesäule und das Fahrzeug intensiv miteinander kommunizieren und Spannung, Strom sowie die Temperatur zyklisch überwachen. Die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladevorrichtung ist in mehreren Standards wie CHAdeMO, ISO 15118 und GB/T 27930 definiert.

Eckdaten

Seit vielen Jahren ist dSPACE mit den speziellen Anforderungen elektrischer Antriebe vertraut. Das Unternehmen bietet eine umfassende Werkzeugkette für Rapid Control Prototyping, automatische Seriencode-Generierung und Hardware-in-the-Loop-Simulation. Dabei arbeiten die dSPACEProdukte Hand in Hand, um eine möglichst komfortable Entwicklungs- und Testumgebung bereitzustellen. Die Lösungen profitieren von Hardware wie leistungsstarken Echtzeitprozessoren, benutzerprogrammierbaren FPGAs und umfassenden I/O-Schnittstellen. Außerdem bietet das Unternehmen Funktionsbibliotheken und Lösungen für die speziellen Anforderungen der Elektromobilität. Die passende Software unterstützt den Übergang vom ersten Funktionsmodell in Simulink bis hin zu umfassenden Echtzeittests. So entsteht eine durchgängige Werkzeugkette aus Hardware und Software, deren Einzelkomponenten präzise aufeinander abgestimmt sind.

Intelligente Netze (Smart-Grids)

In Europa vertrauen wir auf eine stabile Spannungsversorgung. Damit das so bleibt, muss im Hinblick auf die neuen Teilnehmer sichergestellt werden, dass sie das Netz nicht negativ beeinflussen. Für den Test von Ladesäulen und regenerativen Einspeisern ist daher die Echtzeitsimulation von elektrischen Verteilnetzen und deren speziellen Komponenten essenziell. Während der Markt für elektrische Antriebe kontinuierlich wächst, entwickeln sich Elektrofahrzeuge zu einem vielversprechenden Hilfsmittel für Energiesysteme mit erneuerbaren Energien, da es mit ihnen möglich ist, Schwankungen im Energieertrag zum Teil aufzufangen. Die Batterien von Elektrofahrzeugen sind als mobile Speichersysteme einsetzbar, die sich jederzeit mit dem Netz verbinden lassen, wenn zusätzlicher Strom benötigt wird oder überschüssiger Strom für die spätere Verwendung gespeichert werden muss – das V2G-Konzept (Vehicle-to-Grid).

Welche Möglichkeiten bieten sich im Entwicklungs- und Absicherungsprozess der oben dargestellten Technologien?

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