Jeder Ladezustand lässt sich simulieren

Elektrisch betriebene Autos gewinnen in Deutschland nur langsam Marktanteile. Während in Norwegen schon 5,8 Prozent aller neu zugelassenen Pkws rein elektrisch angetrieben sind, liegt der Anteil der Elektroautos bei den Neuzulassungen in Deutschland bei 0,2 Prozent.

Bild 1: Explosionszeichung einer modernen Li-Ionen-Antriebsbatterie für Motorräder.Compumess

Im klassischen Autoland Deutschland werden elektrisch angetriebene Autos nur dann signifikante Marktanteile erringen können, wenn Kunden sie als gleichwertigen Ersatz für traditionelle Autos wahrnehmen. Allerdings sind die EU-Abgasnormen, nach denen neue Pkws in der Fahrzeugflotte eines Herstellers ab 2020 durchschnittlich nicht mehr als 95 Gramm CO₂/km ausstoßen dürfen (was in etwa einem Verbrauch auf 100 km von 3 l Benzin oder 2,6 l Diesel entspricht), selbst mit Downsizing nur noch mit einer weiteren Elektrifizierung des Automobils zu erreichen.

Während konventionelle Automobile relativ einfach zu unterhalten sind und das gut ausgebaute Tankstellennetz einen unterbrechungsfreien Betrieb ermöglicht, kämpfen heutige Elektroautos noch mit hohem Batteriegewicht, langen Ladezeiten und einer schlecht ausgebauten Ladeinfrastruktur. Laden ist in Deutschland noch lange nicht wie tanken. So betrug die Anzahl öffentlich zugänglicher Ladestationen Ende 2013 nur 1500, wohingegen die Anzahl der Tankstellen bei über 15.000 lag. Dies ist, neben der noch geringen rein elektrischen Reichweite sowie langer Ladezyklen, der Hauptgrund für den noch nicht erfolgten Durchbruch. Gleiches gilt für die Brennstoffzellen-Fahrzeuge, die auf Grund der wechselnden Leistungs- und Lastanforderungen im Alltag mit einem Zwischenspeicher in Form einer Lithium-Ionen-Batterie arbeiten.

Deutliche Fortschritte in der Batterieentwicklung helfen aktuell, gleichzeitig das Batteriegewicht zu senken und die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Die Ladeinfrastruktur entwickelt sich dabei leider nicht im selben Maße wie die Batterietechnik. Viele aktuelle Elektroautos sind immer noch für die Ladung mit Wechselstrom vorgesehen. Mit den gängigen Schukosteckern findet sich zwar überall eine passende Steckdose, die Ladegeschwindigkeit ist allerdings auf maximal 2,4 kW begrenzt. Durch Verwendung von sogenannten Typ-2- oder „Mennekes“-Steckern lässt sich die Ladegeschwindigkeit je nach Automodell auf 3,6 bis hin zu maximal 22 kW verbessern.

Deutlich schnelleres Laden ist mit dem von den deutschen Automobilherstellern propagierten Gleichstrom-Ladestandard „Combined Charging System“ (CCS) möglich. Hiermit könnten geeignete Elektroautos mit bis zu 50 kW aufgeladen werden, was die Ladung eines BMW i3 oder eines VW e-up in etwa 30 Minuten ermöglichen würde. Sowohl bei der Wechselstrom- als auch bei der CCS-Technik fehlt es allerdings aktuell noch an einer geeigneten Infrastruktur.

Entwicklung der Batterietechnologie

Li-Ionen-Batterien wurden in den 1990er Jahren erstmals in Handys und Laptops in höheren Volumina verwendet. In diesen Applikationen mussten die Batterien genügend Kapazität C haben, um das Gerät für etwa zwei Stunden netzunabhängig betreiben zu können. Ingenieure bezeichnen diese Entladungsrate häufig als C/2 oder ½ C, was bedeutet, dass die Hälfte der Batteriekapazität in einer Stunde entladen werden kann. Heute ist dieser Batterietyp aus mobilen Geräten wie Laptops oder Handys nicht mehr wegzudenken.

Aufgrund des Erfolgs im Bereich mobiler Elektronik begannen die Hersteller von Li-Ionen-Batterien, neue Anwendungsfelder mit einem möglichst großen Energiehunger zu suchen. Das Elektroauto schien – und scheint – hier ideal geeignet zu sein. Die in Handys und Laptops bewährte Zelle war allerdings nicht für die Anforderungen des Elektroautos tauglich. Anders als bei Handys oder Laptops müssen bei Automotive-Anwendungen schnell und vor allem sicher sehr hohe Energiemengen bereitgestellt werden. Oft werden Leistungslevel vom Zehnfachen des Kapazitätsratings (10 C) und mehr abgerufen.

Da die Anforderungen an die Akkus in Elektro-Handwerkzeugen denen im Elektroauto sehr ähnlich sind, fokussierten sich die Hersteller zunächst auf diesen Markt, um Erfahrung zu sammeln. Für die Hersteller positiv war, dass sowohl die Produktentwicklungszyklen als auch die Produktlebensdauer im Elektrowerkzeugmarkt deutlich kürzer sind als im Automobilmarkt. Gleichzeitig zeigen sich die Werkzeughersteller bei der Verwendung neuer Technologien deutlich risikobereiter als die Automobilindustrie. So konnten die Li-Ionen-Batterien signifikant weiterentwickelt werden, und heute kann davon ausgegangen werden, dass kurzfristig leistungsfähige Batterien für die Automobilindustrie bereit stehen. So stellt die Speicherung der elektrischen Energie heute nicht mehr das Hauptproblem bei der Elektromobilität dar.

Ladestandards und -infrastruktur

Die Ladeinfrastruktur stellt aktuell das gravierendste Problem der Automobilhersteller bei der Elektrifizierung des Autos dar. Solange Elektroautos nicht jederzeit einfach und schnell überall geladen werden können, werden Kunden weiterhin zu konventionell angetriebenen Autos greifen.

Für eine zufriedenstellende Ladeinfrastruktur müssen aus einer Kundenperspektive heraus im Wesentlichen drei Punkte erfüllt sein:

• Ladestationen müssen in ähnlicher Dichte wie Tankstellen verfügbar sein,
• die Ladezeiten müssen niedrig sein, idealerweise im Bereich von wenigen Minuten,
• das Laden muss einfach gehen, insbesondere muss ein universeller Stecker für alle Elektroautos und Ladestandards „funktionieren“.

Ingenieure und Stadtplaner stellen ganz andere Anforderungen an eine gute Ladeinfrastruktur, zum Beispiel:

• Die Netzkapazität darf durch das Laden von Elektroautos nicht negativ beeinflusst werden,
• der Ladestandard muss technologische Weiterentwicklung zulassen,
• die Implementierungskosten müssen zu bewältigen sein.

Die Diskussion, wie eine funktionierende Ladeinfrastruktur aussehen kann und sollte, ist heute nirgendwo auf der Welt abgeschlossen.

Bild 2a: Ersatzschaltbild einer Batterie.Compumess

Leistungselektronik für Entwicklung und Test von Batterien und Ladeinfrastruktur

Wie dargestellt, ist die Entwicklung sowohl der Batterietechnologie als auch der Ladeinfrastruktur in vollem Gang. Speziell im Batteriebereich ist es unumgänglich, jeden Entwicklungsschritt zu prüfen und jede produzierte Batterie zu testen. Auch bei der Entwicklung von Ladegeräten sind ausgiebige Tests unvermeidlich.

Für den Test von Batterien ist im Prinzip ein System aus Strom- beziehungsweise Spannungsquelle und elektronischer Last ausreichend. Die typischen Lade- und Entlademuster lassen sich mehr oder weniger komfortabel per Gerätesoftware oder externer Programmierung, beispielsweise in Labview, programmieren. Der Test von Batterieladegeräte ist im Vergleich hierzu deutlich anspruchsvoller.

Bild 2b: Das 9200-Batterietestsystem von NH Research.Compumess

Klassische elektronische Lasten können üblicherweise in vier verschiedenen Modi betrieben werden, nämlich „constant voltage“, „constant current“, „constant resistance“ und „constant power“. Für den Test von Ladegeräten ist dies nicht ausreichend, da keine dieser Betriebsarten wirklich eine Batterie simuliert. Hierfür benötigt man zusätzlich zu einer bidirektionalen Spannungsquelle einen Serienwiderstand wie in Bild 2a gezeigt. Moderne Testsysteme für Batterien und Ladegeräte wie das 9200-System von NH Research bieten einen voll konfigurierbaren Batterie-Emulations-Modus, mit dem beliebige Batterien in jedem möglichen Ladezustand simuliert werden können. Das System regelt die Terminalspannung V_batt als Funktion des fließenden Stroms:

V_batt = V_OCV + R_S x I_Charge

Bild 3: Strom- und Spannungsverlauf beim Laden einer Batterie.Compumess

Wie eine reale Batterie liefert das System Strom oder nimmt diesen auf, während die Spannung aufrecht erhalten wird. Da sowohl die Spannung als auch der Serienwiderstand programmierbar sind, kann sofort jeder gewünschte Batteriezustand eingestellt werden, ohne erst eine reale Batterie laden oder entladen zu müssen. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Testen mit echten Batterien ist der, dass auch Über- oder Tiefentladungszustände simuliert werden können. So lässt sich gefahrlos testen, wie das Ladesystem mit Batterien in diesen Zuständen umgeht.

Bild 3 zeigt, wie ein Ladegerät mit einer emulierten Batterie getestet wird. Das Ladegerät checkt periodisch, ob die Batterie sicher geladen wird, indem der Ladestrom reduziert und das Absinken der Terminalspannung registriert wird. Sehr schön zu sehen ist auch, wie das Ladegerät am Ende des Ladevorgangs vom Constant-current- in den Constant-voltage-Mode schalten kann, ohne dass hierfür eine Neuprogrammierung der emulierten Batterie nötig wäre.

Tabelle: Einsparungspotenzial bei Benutzung eines regenerativen Testsystems.Compumess

Ein weiterer wichtiger Punkt, der beim Testen von Ladegeräten gegen die Verwendung klassischer Lasten spricht, ist, dass diese die aufgenommene elektrische Energie in Abwärme verwandeln. Gerade bei leistungsfähigen Ladegeräten wie sie für aktuelle Elektroautos verwendet werden, ist es ökonomisch und ökologisch sinnvoll, zumindest einen Teil der elektrischen Energie wieder ins Netz zurückzuspeisen. In der Tabelle ist für eine 10-kW-Anwendung mit einem angenommenen Strompreis von 15 ct/kWh und eine Testauslastung von 50 Prozent exemplarisch gegenübergestellt, wie viel Geld die Rückspeisefähigkeit im Vergleich zu klassischen Luft- und wassergekühlten Lasten einspart.

(ah)