01.01.2013 Seite 790 0

Bidirektionales Ladegerät für Elektrofahrzeuge als Energiespeicher im Smart Grid

Einleitung

Bis zum Jahre 2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Die eingesetzten Fahrzeuge umfassen reine Elektrofahrzeuge, Elektrofahrzeuge mit Reichweitenverlängerung und Plug-in Hybridfahrzeuge mit Batteriekapazitäten von 4 kWh bis über 30 kWh. In Summe ergibt sich durch diese Fahrzeuge eine Speicherkapazität von ca. 10 GWh, was einem Viertel der in Deutschland installierten Pumpspeicherkapazität entspricht. Die kombinierte Ladeleistung beim Einsatz von unidirektionalen 3,5 kW Ladegeräten ergibt 3,5 GW, was mehr als die Primärregelleistung im UCTE-Netz ist und etwa der Hälfte der in Deutschland installierten Pumpspeicherleistung entspricht.

Bild 1: Prototyp eines bidirektionalen Ladegeräts im Fahrzeug [1]

Die Antriebsbatterien sind nicht nur wegen ihrer hohen Kosten sondern auch wegen der begrenzten Haltbarkeit eines der Hemmnisse bei der Markteinführung. Insbesondere privat genutzte Fahrzeuge weisen hohe Standzeiten auf, wodurch die kalendarische Batteriealterung im Vergleich zur zyklischen Alterung überwiegt. Wie gezeigt wird, ist eine Integration dieser Fahrzeugbatterien ins Stromnetz deshalb ohne Einschränkung der Lebenserwartung möglich.

Das Netz kann sowohl mit negativer (Aktivieren des Ladevorgangs) als auch positiver Primärregelleistung (Stoppen eines Ladevorgangs oder Rückspeisen), sowie mit dem Einsatz von Blindleistung gestützt werden. Zudem können die Fahrzeuge am Stromhandel teilnehmen. Um die Entladung von Fahrzeugbatterien in ein Wechselstromnetz zu ermöglichen, muss das Fahrzeug mit einem bidirektionalen Ladegerät ausgestattet sein, das als dezentraler Versorger Energie ins Netz einspeisen kann (Bild 1). Die Anforderungen an die Leistungselektronik werden im zweiten Teil dieses Artikels vorgestellt, der eine Kurzdarstellung eines VDE-Kongressbeitrags [1] ist.

Fahrzeugbatterien als aktive Netzelemente

Durch den Einsatz intelligenter Ladeverfahren und -geräte kann die Fahrzeugbatterie zu einem aktiven Netzelement werden. Insbesondere bei bidirektionaler Nutzung der Batterie als Energiespeicher wird gefordert, dass hieraus keine Einschränkungen für den Fahrzeugbetrieb entstehen oder finanziell kompensiert werden.

Batteriealterung

Grundsätzlich kann man bei Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in modernen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, zwischen zyklischer und kalendarischer Alterung unterscheiden. Die zyklische Alterung bezeichnet den Kapazitätsverlust durch Degradationserscheinungen in der Batterie, die vom Energiedurchsatz hervorgerufen werden. Sie hängt im Wesentlichen von der Zyklentiefe und dem Ladezustandsbereich ab, in dem die Zyklisierung stattfindet. Mit vielen Produkten werden bei teilzyklischem Betrieb 3.000 bis 5.000 äquivalente Ladungsumsätze erzielt.
Als kalendarische Alterung wird der Effekt bezeichnet, der die Batterie auch ohne Benutzung altern lässt. Die kalendarische Alterung hängt vom Potenzial (dieses korreliert mit dem Ladezustand) und der Temperatur ab. Die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien mit NMC (Nickel, Mangan, Cobalt)-Technologie zeigen eine stark beschleunigte Alterung durch hohe Batterieladezustände und hohe Temperaturen.
Bei Elektro- und Plug-in Hybridfahrzeugen ist insbesondere die kalendarische Lebensdauer begrenzend für die Benutzungsdauer der Batterie. Während einer Fahrzeuglebensdauer von 10 Jahren treten bei einem mittleren Elektrofahrzeug (10.000 km pro Jahr, 15 kWh Batteriekapazität, 15 kWh pro 100 km Energieverbrauch) ca. 1.000 äquivalente Vollzyklen auf. Dieser Wert liegt weit unter der von aktuellen Lithium-Ionen-Batterien erzielten zyklischen Lebensdauer und begründet den Spielraum für die Anwendung bidirektionaler Ladeverfahren.

Auswirkungen verschiedener Ladeverfahren

Analysen des Mobilitätsverhaltens zeigen, dass privat genutzte Fahrzeuge ca. 80 % der Zeit zu Hause abgestellt sind [2]. Während dieser Zeiten stehen die Fahrzeugbatterien prinzipiell für Netzdienstleistungen zur Verfügung. Um den Effekt verschiedener Ladestrategien auf die Batterielebensdauer und die Wirtschaftlichkeit bewerten zu können, werden exemplarisch drei Szenarien für das Laden von Plug-in Hybridfahrzeugen (8 kWh nutzbare Batteriekapazität) unter Benutzung realistischer Mobilitätsdaten betrachtet [3]. „Ungesteuertes Laden“ bedeutet, dass das Fahrzeug direkt nach Ankunft zuhause aufgeladen wird. Beim Szenario „Vor Abfahrt Laden“ wird das Fahrzeug möglichst spät vor der nächsten Abfahrt aufgeladen. „Bidirektionaler Stromhandel“ bedingt, dass die Fahrzeugbatterie bei hohen Preisen entladen und bei niedrigen Preisen entsprechend eines volatilen Preisprofils aufgeladen wird. Nicht berücksichtigt sind hier Szenarien, bei denen die Fahrzeuge am Regelenergiemarkt teilnehmen, der noch deutlich attraktiver ist als der reine Stromhandel, in seinem Volumen aber beschränkt ist [4].

Bild 2: Kostenvergleich unterschiedlicher Ladestrategien

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Martin Rosekeit

Für jedes Szenario werden die durchschnittlichen Strombezugskosten und die anteiligen Batteriealterungskosten pro 100 Fahrkilometer betrachtet, siehe Bild 2. Bei der Berechnung der Batteriealterungskosten wird von spezifischen Investitionskosten von 500 EUR pro kWh ausgegangen und eine Abschreibung über die mit dem jeweiligen Ladeverfahren erzielte Batterielebensdauer mit einem Kalkulationszins von 8% vorgenommen:

1. Ungesteuertes Laden: Durch das direkte Aufladen des Fahrzeugs nach der Fahrt sind hohe Ladezustände der Batterie dominierend. Diese führen zu einer großen Batteriealterung, was sich in hohen anteiligen Batteriealterungskosten ausdrückt. Die Strombezugskosten liegen hier am höchsten, da der Ladevorgang unabhängig vom aktuellen Strompreis gestartet wird.

2. Vor Abfahrt Laden: Es zeigen sich niedrigere Alterungskosten, da durch die Verschiebung des Ladezeitpunktes ein niedrigerer mittlerer Ladezustand vorherrscht. Die Strombezugskosten bleiben weitgehend unverändert.

3. Bidirektionaler Stromhandel: Um die Batteriealterung zu verringern, wird nach Ankunft zu Hause der Ladezustand durch Rückspeisen abgesenkt. Dies geschieht zu Zeiten hoher Strompreise in den Abendstunden. Dadurch erhöht sich die Zyklenzahl über den Betrachtungszeitraum von 10 Jahren von 1.200 auf 2.300 äquivalente Vollzyklen. Die Batterie verbleibt in diesem Szenario lange Zeit in niedrigen Ladezustandsbereichen und wird erst wieder in den Morgenstunden bei geringen Strompreisen aufgeladen. Dadurch ergeben sich insgesamt geringere Strombezugs- und Alterungskosten.

Die Teilnahme am Stromhandel mit bidirektionaler Nutzung der Batterie beim Laden verringert also im betrachteten Szenario trotz höherer Zyklisierung die Alterungskosten durch eine starke Reduktion der kalendarischen Batteriealterung. Wie stark die Alterung einer Batterie bei verschiedenen Ladezuständen ist, muss für das jeweilige Produkt ausgemessen werden. Die Eigenschaften sind hier sehr unterschiedlich.

Vergleich von uni- und bidirektionalen Ladegeräten

Mit unidirektionalen Ladegeräten ist es möglich, durch Reduktion der Ladeleistung dem Netz Regelleistung zur Verfügung zu stellen. Durch die Erweiterung zum bidirektionalen Ladegerät wird die nutzbare Leistung verdoppelt, der Zeitraum, in dem die entsprechenden Regelleistungen angeboten werden können, nahezu verzehnfacht und die Möglichkeit zur Blindleistungseinspeisung gegeben.
Vom Ladegerät muss ein sinusförmiger Strom ins Netz eingeprägt werden, dessen Qualität in Normen wie der EN 61000 festgelegt ist. Aufgrund der ladezustandsabhängigen Batteriespannung muss auf der Ausgangsseite ein Bereich von etwa 70 % bis 115 % der Batterienennspannung abgedeckt werden.
Im Vergleich zu den Komponenten des Antriebsstrangs, die auf weniger als 3.000 Betriebsstunden kommen, werden unidirektionale Ladegeräte etwa 5.000 Stunden und bidirektionale Ladegeräte bis zu 50.000 Stunden über die Lebensdauer eines Fahrzeugs betrieben. Hierdurch ergeben sich erhöhte Anforderungen an deren Zuverlässigkeit.

Leistungselektronik

Bild 3: Ladesystem eines Elektrofahrzeugs

Der klassische Aufbau eines Ladegeräts besteht aus einer zweistufigen Topologie. Die erste Stufe ist ein AC/DC-Wandler, der dem Netz einen sinusförmigen Strom entnimmt (bzw. zurückspeist). Zur Anpassung an die Batteriespannung ist ein DC/DC-Wandler notwendig (Bild 3). Abhängig von der Sicherheitsanforderungen und dem zu überbrückenden Spannungsunterschied werden hierfür galvanisch getrennte Topologien eingesetzt.
Bei einphasigem Netzanschluss besteht ein unidirektionaler AC/DC-Wandler aus einem Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), für den ein aktiver Schalter benötigt wird. Für den bidirektionalen Leistungsfluss wird ein „Active Frontend“ (AFE) benötigt, welches aus einer H-Brücke mit vier Schaltern und den zugehörigen Treibern besteht. Obwohl es auch für dreiphasige Netzanwendungen Gleichrichtertopologien mit PFC gibt, wird meist auch im unidirektionalen Fall ein AFE in Form einer B6-Brücke eingesetzt.
DC/DC Wandler lassen sich in galvanisch gekoppelte und galvanisch getrennte Topologien unterteilen. Galvanisch getrennte unidirektionale Wandler bestehen aus einer aktiven Eingangsseite mit schaltenden Bauelementen und einer passiven Ausgangsseite mit Dioden. Für einen bidirektionalen Leistungsfluss muss der Wandler symmetrisch aufgebaut sein, was zu einer Verdopplung der aktiven Bauteile führt (z. B. Dual Active Bridge [6]). Im Gegensatz dazu werden galvanisch gekoppelte Wandler synchron schaltend ausgelegt, wodurch für einen bidirektionalen Leistungsfluss keine Modifikationen nötig sind.

Sicherheitsaspekte

Beim Einsatz eines bidirektionalen Ladegeräts müssen verschiedene, zusätzliche Sicherheitsaspekte gegenüber dem unidirektionalen System beachtet werden. So besteht die Gefahr, dass ungewollt Spannung am Netzeingang anliegt, was durch unterschiedliche Fehlerfälle provoziert wird:
1. Islanding: Ein bidirektionales Ladegerät ist ein dezentraler Versorger wie ein Photovoltaiksystem und muss wie dieses, einen Netzausfall erkennen können (z. B. Stromausfall, Trennung des Netzes durch Energieversorger/Feuerwehr). Zu diesem Zweck müsste in Deutschland eine ENS nach DIN VDE 0126 vorgesehen werden.
2. Stecker: Die Kabelverbindung vom Fahrzeug zum Netz muss mit einem berührgeschützten Stecker versehen sein, damit nicht versehentlich spannungsführende Teile berührt werden können. Die Rückspeisung darf erst bei sicherer Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation erfolgen. Dies wäre durch Mode-3-Laden nach IEC 62196 möglich. Bisher ist hierfür aber noch kein negativer Leistungsfluss vorgesehen.
3. Ladestation: Die Ladestation muss fest mit dem Netz verbunden sein, damit keine ungeschütztes Stecksystem Spannung führen kann.

Kosten

In Tabelle I sind die Zusatzkosten für eine bidirektionale Erweiterung eines Ladegeräts aufgelistet. Die Kosten für Komponentengruppen des Ladegeräts wurden anhand der Einkaufspreise eines Prototyps [5] abgeschätzt und anhand der zusätzlichen Komponenten die relative Kostensteigerung berechnet. Das Verhältnis ist bedingt durch unterschiedliche Topologien abhängig von der Leistungs- und Schutzklasse des Ladegeräts. Untersucht wurden galvanisch getrennte Ladegeräte für das ein- und dreiphasige Netz, sowie ein galvanisch gekoppeltes für das dreiphasige Netz. Die Zahlen sind als Orientierung gedacht und können natürlich nach oben und nach unten abweichen.

Tabelle I: Zusatzkosten für eine bidirektionale Erweiterung eines Ladegeräts

Durch den Austausch des Gleichrichters mit PFC durch ein AFE entstehen besonders bei der Variante 1 hohe relative Zusatzkosten für die aktiven Bauelemente. Da in diesem Fall beide Stufen im Allgemeinen mit geringerer Schaltfrequenz betrieben werden, vergrößern sich die passiven Bauelemente entsprechend. Der passive Speicher für den 100 Hz-Leistungsrippel bleibt allerdings gleich. Im Gegensatz dazu bieten viele Topologien, die im Fall 3 bei unidirektionalen Ladegeräten eingesetzt werden, ohnehin die Möglichkeit eines bidirektionalen Leistungsflusses, wodurch nur geringe Zusatzkosten entstehen.

Zusammenfassung

Die zusätzliche Zyklisierung der Batterie im rückspeisenden Betrieb verkürzt bei hochwertigen Lithium-Ionen-Batterien in typischen privat genutzten EVs und PHEVs nicht die Nutzungsdauer im Fahrzeug, weil im gegebenen Anwendungsfall die kalendarische Alterung überwiegt. Beim Einsatz von rückspeisefähigen Systemen werden allerdings erhöhte Anforderungen an die Sicherheit des Netzanschlusses gestellt. Die Zusatzkosten für die Erweiterung zum bidirektionalen Ladegerät hängen von der Leistungs- und Sicherheitsklasse ab. Durch hohe Ruhezeiten der Fahrzeuge und die Höhe der summierten Energien und Leistungen können Elektrofahrzeuge zum stabilisierenden Element in der Energieversorgung werden.

Danksagung

Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Projekts Smart Wheels durchgeführt, welches vom Deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie auf Beschluss des Deutschen Bundestages gefördert wurde (BMWi, Kennzeichen 01ME0924).

Literatur

[1] M. Rosekeit, B. Lunz, D. U. Sauer, R. W. De Doncker, Bidirektionales Ladegerät für Elektrofahrzeuge als Energiespeicher im Smart Grid, VDE-Kongress 2012, Stuttgart, Nov. 2012.
[2] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), Deutsches Mobilitätspanel 2008 (MOP).
[3] B. Lunz, Z. Yan, J. B. Gerschler und D. U. Sauer, Influence of plug-in hybrid electric vehicle charging strategies on charging and battery degradation costs, Energy Policy, Band 46, Seiten 511–519, 2012.
[4] A. Hackbarth, B. Lunz, R. Madlener, D. U. Sauer, R. W. De Doncker: Plug-in Hybrid Electric Vehicles for CO2-Free Mobility and Active Storage Systems for the Grid (Part 1), E.ON Energy Research Center Series, Volume 2, Issue 3, Aachen, 2010.
[5] M. Rosekeit und R. W. De Doncker, Galvanically isolated, bi-directional charger for electric vehicles - analysis and implementation, Automotive Power Electronics Conference (APE), Montigny le Bretonneux, Apr. 2011.
[6] Rik W. A. A. De Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala: A Three-phase Soft-Switched High-Power-Density DC-DC Converter for High-Power Applications, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No. 1, 1991.

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