Die Zukunft der Ladetechnik

Smartwatches, Handys, Laptops, Stehroller – sie haben alle eine Gemeinsamkeit: Sie werden mit wiederaufladbaren Energiespeichern (Akkus) betrieben. Auch bei Autos, Gabelstaplern und sogar Lastwagen setzt sich zunehmend ein batterieelektrischer Antrieb durch – und damit die Notwendigkeit, den Akku regelmäßig wieder zu laden. Das gleiche gilt für zahlreiche industrielle Anwendungen. Die Ladetechnik für Batterien rückt dadurch immer mehr in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, unabhängig davon, ob ein Ladegerät mit Spannungen von wenigen Volt und Strömen im niedrigen Milliamperebereich arbeitet oder mit hoher Spannung hunderte von Amperes durch die Leitungen schickt.

Schon ein kurzer Blick auf die unterschiedlichen Anforderungsprofile für verschiedene Anwendungen zeigt: „One Size Fits All“ – das eine Ladegerät für alle Einsatzzwecke – gibt es nicht. Je nach Zielanwendung ist eine individuelle Auslegung von Schaltungstechnik, verwendeten Halbleitern und Mechanik vorzunehmen. Bei der Entwicklung von Ladegeräten für den industriellen Einsatz stehen andere Ziele im Vordergrund als beispielsweise für die Elektromobilität: Industrielle Anwendungen sind in der Regel gekennzeichnet von Anforderungen wie langer Lebensdauer und hoher Leistung in rauen, aber meist gut vorsehbaren Umgebungsbedingungen. Eine hohe Produktdiversität bei überschaubaren Stückzahlen fördert dabei die Verwendung modularer Konzepte.

Ladeapparaturen für die Elektromobilität müssen dagegen in einem weiten Temperaturbereich funktionieren, einem hohen Vibrationsstress standhalten und für die weltweit unterschiedlichen Netzspannungen kompatibel sein. Nicht zu vernachlässigen sind die hohen Anforderungen an EMV-Störsicherheit, die Geräte in diesem Umfeld zu erfüllen haben. Für das Smart Grid der Zukunft kommen verstärkt Anforderungen zur bidirektionalen Nutzung des Ladegerätes hinzu, um das Netz aus der Autobatterie heraus stützen zu können. Gleichzeitig ist Platz im Auto immer Mangelware, weshalb eine kompakte Bauform und ein geringes Gewicht entscheidend sind. Die zu erwartenden hohen Stückzahlen im Automotive-Bereich erlauben dafür aber eine exakt angepasste und optimierte Konstruktion der Geräte. Gemeinsam haben Ladetechnik für Industrie und Elektromobilität die generellen Forderungen nach hoher Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, kurzen Ladezeiten und einfacher Handhabung.

Die Topologie bzw. das Konzept der Elektronik hat einen entscheidenden Einfluss darauf, welche Anforderungen ein Ladegerät am Ende erfüllen kann. Allgemein lässt sich zwischen konduktivem und induktivem Laden unterscheiden. Ersteres steht für den Anschluss über ein Ladekabel, letzteres für die Ankopplung an das Netz über ein induktives Verfahren, also über eine Ladespule. Die IEC-Norm 61851-1 unterscheidet bei den konduktiven Verfahren vier Modi.

• Mode 1 ist definiert als Aufladung mit Wechsel- oder Drehstrom an haushaltsüblichen Steckdosen bei Eingangsspannungen von 230 V (Wechselstrom) oder 400 V (Drehstrom). Aus dem in Deutschland maximal vorgesehenen Strom von 16 A pro Netzphase ergibt sich eine Leistung von 3,67 bzw. 11 kW.
• Mode 2 arbeitet ebenfalls mit haushaltsüblichen Anschlüssen, jedoch sind hier Ströme bis 32 A zulässig, was dann ein Leistungsniveau von 7,4 bzw. 22 kW ergibt. Im Unterschied zu Mode 1 ist hier ein kabelintegriertes Ladegerät (In-Cable Control Box, ICCB) vorgesehen, das im Fehlerfall die Spannung abschaltet.
• Mode 3 ist für Ströme von mehr als 32 A und Leistungen von über 22 kW vorgesehen. Gespeist aus Drehstromanschlüssen mit 400 V sind hier Ladeströme bis zu 250 A möglich. Real liegen die Ladeleistungen derzeit eher bei 22 oder 43 kW.
• Mode 4 ermöglicht das Schnellladen mit einer maximalen Energieübertragung von 200 kW. Im Gegensatz zu den anderen Betriebsarten ist hier eine Gleichstromversorgung über eine dedizierte Ladesäule bei Spannungen von 400 oder 800 V vorgesehen.

Das induktive Laden oder „Wireless Power Transfer“ (WPT) beschränkt sich gegenwärtig in der Praxis hauptsächlich auf Geräte am unteren Ende der Leistungsskala. Ladetechniken für höhere Leistungen, speziell für Fahrzeuge, wird im Standard SAE J2954 definiert, doch ist der Normungsprozess noch nicht abgeschlossen. Als Frequenz für die induktive Übertragung ist 85 kHz vorgesehen; der Ladewirkungsgrad ist bereits besser als 90 Prozent. Auch hier sind bisher vier Leistungsklassen vorgesehen: Die Untergrenze bildet WPT 1 mit 3,7 kW für den Heimbereich oder öffentliches Parken, insbesondere für Hybrid-Elektrofahrzeuge. Dahingegen stellt WPT 4 die Obergrenze dar, welche derzeit mit einer Ladeleistung bis 22 kW mit Speisung aus dem Drehstromnetz vorgesehen ist.

PFC-Stufen bilden die Schnittstelle zum Netz

Bild 1: Vergleich der Leistungsstufen zwischen Continuous Conduction Mode (CCM) und Critical Conduction Mode (CrCM). Finepower

Eine wichtige Rolle in der Schaltungstechnik von Stromversorgungen und damit auch von Ladegeräten spielt die Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction; PFC). Für Ladegeräte ab einer Leistung von 75 Watt sind entsprechende gesetzliche Regelungen in Kraft; Ziel ist die Unterdrückung unerwünschter Oberwellen und der Blindleistung. Ohne eine solche Korrektur müssten Systemdesigner die Bauelemente und Geräte der Stromversorgung wesentlich umfangreicher dimensionieren. Ein weiteres Ziel der PFC ist die Reduzierung elektromagnetischer Störaussendungen.

In der Praxis unterscheiden Entwickler bei den PFC-Stufen nach verschiedenen Betriebsmodi: Continuous Conduction Mode (CCM), Discontinuous Conduction Mode (DCM) oder dem am Übergang zwischen den vorgenannten Modi angesiedelten Critical Conduction Mode (CrCM), der häufig in einer Anordnung aus zwei parallelen, phasenversetzt getakteten Leistungsstufen als Interleaved CrCM in Summe einen Stromverlauf ähnlich dem CCM aufweist. Jeder Modus bietet bestimmte Vor- und Nachteile und empfiehlt sich für unterschiedliche Leistungsklassen (siehe Bild 1). Diese Modi lassen sich durch verschiedene Schaltungsanordnungen und Regelalgorithmen realisieren, die jeweils mit bestimmten Vorzügen und Defiziten einhergehen. Erwähnt sei die Interleaved Boost PFC für 1-phasige Netzanschlüsse, die Wirkungsrade von mehr als 98 Prozent ermöglicht. Für diese Schaltung sind zahlreiche analoge Regler-ICs von der Stange verfügbar. Sie kommt mit kleinen, preiswerten Induktivitäten aus und bietet eine gute Teillasteffizienz durch Phase-Shedding. Noch höhere Wirkungsgrade im 1-phasigen Netz (> 99 Prozent) ermöglichen Bridgeless-PFC-Schaltungen, wie die Totem-Pole-PFC (Bild 2), die allerdings den aufwendigeren digitalen Regelungen vorbehalten sind und im Betrieb mit kontinuierlichem Strom große Induktivitäten verlangen. Eine unerwünschte Eigenschaft dieses Ansatzes sind jedoch die damit verbundenen hohen elektromagnetischen Störaussendungen.

Bild 2: Bridgeless PFC-Schaltungen wie Totem-Pole-PFC ermöglichen noch höhere Wirkungsgrade (> 99 Prozent). Finepower

Ebenfalls einen Wirkungsgrad von 99 Prozent und mehr bietet die aktive B6-Gleichrichterbrückenschaltung, die allerdings eine dreiphasige Speisung voraussetzt. Diese Schaltung ermöglicht eine Kopplung der Induktivitäten und kommt mit niedrigen Zwischenkreiskapazitäten aus, was eine besonders kompakte Bauart ermöglicht. Ein Nachteil ist auch hier die hohe Störabstrahlung. Besonders für höhere Leistungen und in kostensensitiven Anwendungen verdient auch die 3-Level PFC eine Erwähnung: Diese ebenfalls für dreiphasige Speisung vorgesehene Schaltung mit digitaler Regelung erfordert nur geringe Zwischenkreiskapazitäten und ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad von 98 Prozent und mehr. Weil die Halbleiter in dieser Schaltung nur eine vergleichsweise geringe Spannungsbelastung aushalten müssen, ist die Verwendung preisgünstiger Bauteile möglich. Zudem besteht die Option, beim Einsatz von GaN-Transistoren hohe Schaltfrequenzen zu erreichen.

DC/DC-Wandler im Zentrum der Entwicklung

Neben der PFC-Schaltungstechnik stehen bei der Konstruktion von Ladegeräten die DC/DC-Wandler zur Umsetzung von Gleichspannungspegeln im Mittelpunkt. Die Sicherheit der Benutzer erfordert in vielen Anwendungsfällen eine Potentialtrennung (galvanische Trennung) zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis. Je nach Schutzklasse ist in manchen Fällen auch eine doppelte oder verstärkte Isolation erforderlich. Bei nichtisolierten Ladegeräten kann im Ladebetrieb eine Deaktivierung des Isolationswächters im Fahrzeug notwendig sein, um dessen Auslösung zu verhindern. In solchen Topologien sind dann aber zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen nötig wie etwa die Verbindung des Fahrzeugs mit PE- bzw. Schutzleiter über die Ladesäule. Optional kann bei Schutzklasse 1 auch eine Schutzleiterüberwachung vorgesehen werden, bei Schutzklasse 2 eine doppelte Isolation. Weitere mögliche Maßnahmen liegen in der Nutzung eines Fehlerstromschutzschalters Typ B in der Versorgungsleitung oder einer aktiven Ableitstromkompensation.

Bild 3: Pulsweitengesteuerte Systeme wie etwa Phase-Shifter bieten eine hohe Robustheit und einen weiten Regelbereich mit hoher Regeldynamik. Finepower

Bild 4: Frequenzgeregelte Systeme wie der LLC oder LCC verfügen über einen höheren Wirkungsgrad sowie bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Finepower

Bei den üblichen galvanisch getrennten Wandlern kann man grundsätzlich zwei Konzepte unterscheiden: Pulsweitengesteuerte Systeme (wie Phase-Shifter in Bild 3) bieten eine hohe Robustheit und einen weiten Regelbereich mit hoher Regeldynamik, wohingegen frequenzgeregelte Systeme wie der LLC oder LCC (Bild 4) über einen höheren Wirkungsgrad sowie bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verfügen.

Die Phase-Shifted Full Bridge (PSFB) in Bild 3 basiert dabei auf einer variablen Phasenverschiebung zwischen den beiden Halbbrücken, die am Übertragerkreis angeschlossen sind und dessen blockförmige Spannungserregung definieren. So lassen sich die einzelnen Halbbrücken mit einem Tastverhältnis von 50 Prozent betreiben, High-side- und Low-side-Transistoren sind also abzüglich einer Totzeit jeweils knapp die Hälfte einer Schaltperiode eingeschaltet. Durch die Phasenverschiebung und die damit einhergehende zeitliche Überlappung der Ansteuerung diagonal angeordneter Transistoren kann die übertragene Leistung linear geregelt werden. Unter Einbeziehung der Streuinduktivität bzw. einer eigens eingefügten Seriendrossel können Entwickler in weiten Bereichen das verlustarme Nullspannungsschalten (ZVS) realisieren. Auf der Sekundärseite kommt bei kleinen Strömen meist eine passive Gleichrichterbrücke zum Einsatz, während auch beliebige weitere Anordnungen in passiver oder aktiver Gleichrichtung möglich sind. Die Energiespeicherung am Ausgang erfolgt in einer Gleichrichterdrossel, wodurch die PSFB einen für Batterieladung vorteilhaften Stromquellencharakter aufweist und damit auch für höhere Leistungen einfach parallelisiert werden kann.

Im Gegensatz dazu werden die zur Gruppe der Resonanzwandler zählenden Topologien LLC und LCC (Bild 4) typischerweise mit konstantem Tastverhältnis betrieben und über eine Variation der Schaltfrequenz an die benötigte Ausgangsleistung angepasst. Die im Übertragerkreis vorhandenen Kapazitäten und Induktivitäten bilden dabei einen Schwingkreis mit definierter Resonanzfrequenz. Bei Betrieb mit dieser Frequenz stellt dies ein Maximum an Übertragungsleistung dar und ergibt einen sinusförmigen Strom- (LLC) bzw. Spannungsverlauf (LCC) im Übertragerkreis, was eine signifikante Reduktion der Schaltverluste in den Transistoren mit sich bringt.

Eine Reduktion der Ausgangsleistung können Entwickler durch Erhöhung der Schaltfrequenz bis zu einem sinnvollen Maximalwert erreichen. Diesen Vorgang müssen sie dann aber durch einen Burst-Mode mit Pulsblöcken ersetzen, weshalb dafür typischerweise digitale Regelungen Verwendung finden. Auch hier kommen für unterschiedliche Anwendungen und Ausgangsspannungen verschiedene Gleichrichtertopologien in Frage.

Eine bidirektionale Topologie verkörpert schließlich die DAB-Schaltung (Dual Active Bridge; Bild 5). Im Gegensatz zu den anderen hier besprochenen Ansätzen ermöglicht sie eine Leistungsflussumkehr während des Betriebs, erfordert aber eine komplexe digitale Regelung. Diese erfolgt unter anderem durch Phasenverschiebung zwischen den Halbbrücken auf der Primär- und Sekundärseite.

Autonome Autos verlangen nach induktiver Ladungstechnik

Während sich die bisherigen Überlegungen auf das konduktive Laden bezogen haben, gewinnt demgegenüber das induktive Laden zunehmend an Bedeutung. Die Gründe sind vielfältig: So wird mit dem Aufkommen des autonomen Fahrens die Möglichkeit wünschenswert, auch den Ladevorgang selbst vornehmen zu lassen. Das erfordert allerdings entweder aufwendige Automaten für die Handhabung von Kabeln und Steckverbindern oder eben das viel leichter zu implementierende induktive Laden. Dabei wird das Fahrzeug so gegenüber einer stationären Induktivität positioniert, dass eine optimale Kopplung von Primär- und Sekundärkreis erfolgt. Weitere treibende Kräfte für induktives Laden von Elektrofahrzeugen liegen in der Möglichkeit, die Fahrzeugbatterie auf bequeme Weise während des Parkens aufzuladen. Zudem kommt diese verbindungslose Ladetechnik auch den Wünschen von Städte- und Gebäudeplanern entgegen, da keine potenziell hinderlichen und von Vandalismus gefährdete Ladekabel notwendig sind. Damit lassen sich Sicherheit und Komfort leichter als beim konduktiven Laden unter einen Hut bringen.

Bild 5: Eine bidirektionale Topologie ist dann notwendig, wenn das Ladegerät in Zeiten hoher Netzbelastung auch ihre gespeicherte Energie der Fahrzeugbatterie ins Netz zurückspeisen soll (Vehicle-to-Grid-Kopplung). Finepower

Der Ladevorgang kann je nach Art der Einbindung des Fahrzeugs und Geschäftsmodells des Versorgers in das Netz unidirektional oder bidirektional erfolgen. Die Vehicle-to-Grid-Kopplung, bei der das Ladegerät in Zeiten hoher Netzbelastung auch ihre gespeicherte Energie der Fahrzeugbatterie ins Netz zurückspeisen kann, erfordert eine bidirektionale Topologie (Bild 5). Herausforderungen für Geräteentwickler bei den induktiven Ladetechniken liegen in den mannigfachen Abhängigkeiten zwischen dem magnetischen und elektrischen Design, der genauen Ausführung der Abstimmungskreise und den auch hier allgegenwärtigen Sicherheitsanforderungen. So muss die Ladeautomatik erkennen, wenn sich Fremdkörper zwischen dem stationären und dem beweglichen Teil des Systems befindet. Das System muss dann sofort die Energiezufuhr unterbrechen.

Ladetechnicken in Zukunft

Wie alle Bereiche der Technik unterliegt auch die Ladetechnik einer stetigen Evolution. Auf der Geräteebene geht die Entwicklung zu höheren Ladeleistungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsdichte. Auch die Rückspeisefähigkeit wird im Zuge der Entwicklung von Smart Grids künftig eine größere Rolle spielen. Hand in Hand damit geht die Anforderung, die Ladesysteme kommunikationsfähig zu machen und eine vollwertige Schnittstelle zwischen dem Versorgungsnetz, gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer regenerativer Energiequellen, wie einer Photovoltaikanlage und dem Fahrzeug darzustellen. Auch höherer Komfort sowie flexiblere Konfigurationsmöglichkeiten dürften einen Einfluss auf künftige Entwicklungen ausüben. Natürlich ist auch die Optimierung der Kosten gefragt. Auf der Bauteilebene werden neue Schaltertechnologien Einzug halten und die Topologieauswahl dominieren. Zudem ist davon auszugehen, dass der Integrationsgrad der Bauteile weiter ansteigt und Lösungen aus dem Embedded-Bereich auf die Leistungselektronik übertragen werden. Möglich wird dies durch die anhaltende Miniaturisierung der passiven Komponenten und durch den Trend, statt diskreter Bauelemente standardisierte funktionale Module zu nutzen.

(prm)