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Die bidirektionale Power Supply EA-PSB 9000 kann Batterien und andere Energiespeicher laden und entladen. In der Funktion als elektronische Last wird die aufgenommene Energie bis zu 95 % in das Versorgungsnetz zurückgespeist. (Bild: EA Elektro-Automatik)

Eckdaten

Für eine Investition in High-Power-Testsysteme sind drei Faktoren entscheidend: Die Investitions- und Betriebskosten sowie eine hohe Leistungsdichte. Die Geräteserie PSB 9000 ist netzrückspeisefähig und erreicht einen energetischen Wirkungsgrad von 95 %. Mit diesen Geräten lassen sich alle DC-High-Power- und High-Voltage-Komponenten aktueller und künftiger Fahrzeuggenerationen prüfen. Damit leisten die bidirektionalen Stromversorgungen einen wichtigen Beitrag zur Gesamt-CO2-Bilanz von elektrifizierten Kraftfahrzeugen.

Täglich lesen wir Nachrichten über elektrisch betriebene Fahrzeuge. Der Diesel-Skandal, die zunehmende Luftverschmutzung in den urbanen Ballungszentren sowie drohende Fahrverbote tragen zum Umdenken bei. Weltweit arbeiten die Hersteller an Lösungen zur E-Mobility, um die Nachfrage am Markt bedienen und die CO2-Vorgaben der Politik erfüllen zu können. Doch meist steht nur der Betrieb des Fahrzeugs im Fokus der Zielvorgaben. Dabei lässt sich bereits in der Entwicklung und Fertigung elektrischer Komponenten eine erhebliche Menge CO2-Ausstoß einsparen – beispielsweise beim Testen der Fahrzeugkomponenten.

Elektrisch betriebene Fahrzeuge besitzen eine Vielzahl an DC-Hochleistungsaggregaten und elektronischen Bauteilen. Diese müssen in der Entwicklung und Produktion geprüft werden, um den hohen Qualitäts- und Sicherheitsstandards der Automobilhersteller gerecht zu werden. In der Liefervereinbarung LV 123 haben deutsche Automobilhersteller ihre Anforderungen an Hochvolt-Komponenten für Elektrofahrzeuge und deren Prüfungen festgeschrieben. Besonders beim Testen von HV-Batterien, des neuen 48-V-Bordnetzes, der DC/DC-Wandler und der Ladesäulen leisten hocheffiziente bidirektionale Stromversorgungen einen wesentlichen Beitrag zur Gesamt-CO2-Bilanz elektrifizierter Fahrzeuge.

Flexibilität mit bidirektionaler Stromversorgung

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Die rückspeisefähige Laborstromversorgung der Serie EA-PSB 9000 leistet einen wichtigen Beitrag zur Gesamt-CO2-Bilanz von Elektrofahrzeugen. EA Elektro-Automatik

An die Test- und Prüfeinrichtungen werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Erforderlich sind Leistungsbedarfe ab einigen 100 W bis mehreren 100 kW, bei Spannungen bis zu 1000 V. Zudem müssen die Systeme flexibel und skalierbar sein. Wichtige Faktoren sind ferner eine große Leistungsdichte der Einzelgeräte sowie eine hohe Gesamtsystemleistung. Außerdem sollten die Geräte die aufgenommene Energie mit einem hohen Wirkungsgrad ins Netz zurückspeisen können. Die bidirektionale Power Supply PSB 9000 des Leistungselektronik-Entwicklers EA Elektro-Automatik besitzt die notwendigen Eigenschaften. Mit dem Einsatz dieser Geräteserie senken Hersteller der E-Mobility-Branche ihre CO2-Emissionen sowie ihre Energie- und Investitionskosten.

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Um die Vorteile einer bidirektionalen Stromversorgung aufzuzeigen, ist das Testen einer Batterie ein gutes Beispiel: Zunächst wird mit einer konventionellen Stromversorgung der Akku aufgeladen. Um anschließend dessen Kapazität zu prüfen, ist zusätzlich eine elektronische Last für das Entladen der Batterie notwendig. Die bidirektionale Power Supply PSB 9000 hingegen löst beide Anforderungen in einem Gerät, denn sie arbeitet als Quelle und Senke: Zum einen übernimmt das Gerät die Aufgaben einer Stromversorgung, indem es den Akku auflädt, und zum anderen arbeitet es als elektronische Last, welche die Energie im Prüfprozess entlädt. Als entscheidenden Vorteil speist das Gerät beim Entladeprozess bis zu 95 Prozent der Energie in das Versorgungsnetz zurück. Aufgrund des eingesparten Energiebedarfs reduzieren sich die laufenden Energiekosten sowie der CO2-Ausstoß. Außerdem sinken die Investitionskosten, da anstatt zwei Geräten nur eines angeschafft werden muss.

Darüber hinaus kann die bidirektionale Power Supply Batterien, Brennstoffzellen und andere Energiespeicher mit unterschiedlichen Kapazitäten, Innenwiderständen, Ladezuständen (SOC) und Spannungslagen simulieren. So werden elektronische Komponenten wie Motoren, Navigations- und Mediasysteme sowie Beleuchtungen unter realen Bedingungen getestet. Außerdem lassen sich die Testkurven frei parametrieren und hinterlegen. Dank einer flexiblen Ausgangsstufe geben die Geräte über einen weiten Spannungs- und Strombereich ihre maximale Leistung ab.

Leistung ins Netz zurückspeisen

Auch innerhalb der Ladestruktur lässt sich die PSB 9000 wirksam einsetzen. Voraussichtlich fahren mittel- bis langfristig eine große Anzahl elektrisch betriebener Fahrzeuge auf unseren Straßen. Auf diese Weise entsteht ein großer partitionierter Energiespeicher, der die Schwankungen im elektrischen Versorgungsnetz ausgleichen könnte: Bei Lastspitzen geben Elektrofahrzeuge, die gerade mit dem Netz verbunden sind, einen Teil ihrer gespeicherten Energie ab und nehmen diese bei Lastabfall wieder auf – vorausgesetzt, die Fahrzeuge beziehungsweise die Ladeinfrastruktur sind in die Netzplanung der Versorger mit einbezogen. Im Sinne des „vehicle2grid“ speisen Ladesäulen und Fahrzeuge dann die Leistung ins Netz zurück. Die bidirektionale Stromversorgung ist für diesen Zweck ausgelegt, da sie im Zwei-Quadranten-Betrieb nahtlos vom Quellen- in den Lastmodus wechselt. Parameter wie Strom und Leistung lassen sich separat sowohl im Last- als auch im Quellenbetrieb flexibel einstellen, auslesen und dokumentieren – entweder mithilfe des HMI oder über diverse digitale Schnittstellen und die mitgelieferte Steuersoftware.

Energierückgewinnung bei Rekuperation

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Die bidirektionalen Stromversorgungen PSB 9000 lassen sich individuell konfigurieren. So können Systeme mit einer Gesamtleistung von 450 kW und Spannungsklassen bis 1500 V ausgelegt werden. Das System wird im Master/Slave-Betrieb wie ein einzelnes Gerät betrieben. EA Elektro-Automatik

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen beschränkt sich jedoch nicht allein auf vollelektrische Fahrzeuge. Mithilfe der kürzlich eingeführten 48-V-Spannungsebene werden die Bordnetze neu ausgelegt. Ziel des neuen 48-V-Bordnetzes ist es, die CO2-Ersparnis durch höhere Wirkungsgrade bei der Energieerzeugung sowie den Verbrauchern zu steigern. Außerdem ist das 14-V-Bordnetz für Hochleistungsverbraucher wie die elektrische Fahrwerksstabilisierung nicht mehr leistungsfähig genug und die Versorgung nicht gesichert. Gegenüber einem herkömmlichen Generator ist der Wirkungsgrad bei einem 48-V-Bordnetz deutlich höher, da dort riemengetriebene Starter/Generatoren eingesetzt werden, die den Starter und die Lichtmaschine vereinen. So kann das Fahrzeug mit Leistungen von bis zu 13 kW gestartet oder die 48-V-Batterie geladen werden. Zusätzlich ist es möglich, das Fahrzeug zu „boosten“ oder die in den Rekuperationsphasen entstehende Bewegungsenergie zurückzugewinnen. Mit einer Spannung von 60 V, Strömen von 360 A und Leistungen bis zu 15 kW ist die bidirektionale Stromversorgung PSB 9060-360 der 9000er-Serie auf die Leistungsanwendung im 48-V-Bordnetz abgestimmt. Dementsprechend lassen sich 48-V-Batterien oder 48-V-Maschinen im Zwei-Quadranten-Betrieb testen. Die maximale Berührspannung von 60 V wird auch im Fehlerfall des Gerätes aufgrund des integrierten Sicherheitsmechanismus nicht überschritten. Weitere Geräte dieser Serie sind in Spannungsklassen von 80 bis 1500 V und mit 5, 10 und 15 kW Geräteleistung erhältlich.

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Rückansicht der bidirektionalen Stromversorgung PSB 9000. EA Elektro-Automatik

Elektrofahrzeuge werden entweder mit Wechselspannung (AC) bei Leistungen von 11, 22, oder 43 kW oder mit Gleichspannung (DC) bei Ladeleistungen bis über 350 kW geladen. Beim AC-Laden befindet sich das Ladegerät im Fahrzeug und wandelt die Wechselspannung in eine regelbare Gleichspannung zum Laden der Traktionsbatterie um. In diesem Fall begrenzt das Ladegerät im Fahrzeug die Ladeleistungen und -zeiten. Da der Markt jedoch immer kürzere Ladezeiten fordert, gewinnt das DC-Schnelladen an Bedeutung. Anstelle des Onboard-Ladegeräts regelt dort die Ladesäule mit deutlich höherer Leistung den Ladevorgang. Um ein solches DC-Schnelladen zu simulieren, eignen sich die Laborstromversorgungen von EA Elektro-Automatik aufgrund ihrer hohen Systemleistung: Die Geräte der bidirektionalen Stromversorgung lassen sich individuell konfigurieren. So können erstmals Systeme mit einer Gesamtleistung bis zu 450 kW ausgelegt werden. Das System wird anschließend im Master/Slave-Betrieb wie ein einzelnes Gerät betrieben. Die Leistung lässt sich flexibel erweitern, die Spannungsklassen reichen bis 1500 V. Beim Simulieren der Ladesäule lädt die Power Supply das Fahrzeug auf und entlädt es wieder anhand der Streckenprofile. Während des Prozesses werden rund 95 Prozent der aufgenommenen Energie zurückgewonnen. Diese Energie wird für andere Verbraucher eingesetzt oder ins lokale Stromnetz rückgespeist. Da nur fünf Prozent der Energie als Wärme abgegeben werden, reduzieren sich die Energiekosten und damit auch die CO2-Emissionen beim Simulieren von Ladesäulen erheblich. Die Geräteserie PSB 9000 erfüllt bereits heute die Vorgaben des Combined Charging Systems (CCS) der Charging Interface Initiative (CharIn e.V.), einer Vereinigung, die das schnelle und einfache Laden von Elektroautos fördert.

Modularität für individuelle Anpassung

Durch den modularen Aufbau der Geräte lassen sich mehrere bidirektionale Stromversorgungen der Reihe PSB 9000 parallelschalten und individuell auf die Test- und Prüfeinrichtungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Die Geräte arbeiten mit einer flexiblen leistungsgeregelten Ausgangsstufe: Entlang einer Leistungshyperbel sind sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme einstellbar, die alle in der Liefervereinbarung LV123 der Hersteller geforderten Systemspannungen abdecken: Ein mit einem PSB 9750-60 zu ladendes 750-V-Batteriepack verfügt ab einer Spannung von 250 V über die volle Leistung des Netzgerätes. Somit wird das Batteriepack im Vergleich mit einer konventionellen Stromversorgung schneller geladen.

Die Geräte besitzen analoge und digitale Schnittstellen und können über einen Plug-and-play-Slot mit weiteren digitalen Schnittstellen an alle Testumgebungen angebunden werden. Der Anwender kann die Slots flexibel austauschen und die Geräte einfach auf eine andere Schnittstelle nachrüsten. Außerdem sind Labview VIs und CAN dbc files sowie ein IVI-Treiber für Windows erhältlich.

 

Mario Bienert

Leiter Forschung und Entwicklung, EA Elektro-Automatik

(ah)

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