EWR AG; Mitsubishi Motors Deutschland GmbH; Stadtwerke Mainz; Autohaus Morchel; Autohaus Haas; Autohaus Honrath; Mercedes Benz Niederlassung; Löhr Automobile GmbH; Rheinhessische Energie- und Wasserversorgungs-GmbH; Autohaus Grohs GmbH & Co. KG; Stadtwerke Bad Kreuznach; Koblenzer Elektrizitätswerk und Verkehrs-Aktiengesellschaft; Autohaus Erich W. Schleif GmbH; Autohaus Karl & Co. GmbH & Co. KG; RWE AG
Projektmittel
Forschungsinitiative
Kategorie
Elektrische Energietechnik
Kurzbeschreibung des Projekts
Die Bundesregierung bekräftigte im Mai 2013 nochmals ihre Ziele zum Thema Elektromobilität. Bis zum Jahr 2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen zugelassen sein. Zwar wird der Elektrifizierung von Fahrzeugen oft noch Zweifel zugesprochen, doch bewegte sich auch im Jahr 2013 wieder viel in Sachen Forschung und Entwicklung zum Ausbau der Elektromobilität in Deutschland. Die Themen reichen über die Integration alternativer Antriebstechnologien zu intelligenten Vernetzungsmöglichkeiten von Fahrzeugen und Ladesäulen sowie den Ausbau der Ladeinfrastruktur.
Auf einer hochrangig besetzten internationalen Konferenz zur Elektromobilität in Berlin erklärte die Bundeskanzlerin, dass für Deutschland unheimlich viel davon abhängt, dass die Transformation zur Elektromobilität gelingt. Nicht nur in Deutschland, auch in China wird auf dieser Konferenz von Chinas Wissenschafts- und Technologieministers Wan Gang verdeutlicht, dass die Transformation zur Elektromobilität in China ein Muss sei. Bis zum Jahr 2020 sind hier zwei Millionen Fahrzeuge geplant. Für diese Anzahl von E-Fahrzeugen müssen nun auch genügend Ladestationen zur Verfügung stehen. Mit der Vereinheitlichung, Anfang Februar 2013, auf den sogenannten Typ-2-Stecker als gemeinsamen Ladestecker wurde die Steckerfrage für Elektroautos und somit eine wichtige Frage zur Ladeinfrastruktur geklärt. Diese Entscheidung beendet die ständige Unsicherheit über die Wahl der korrekten Steckvorrichtung für Deutschlands Autoindustrie. Bis zum Jahr 2017 sollen alle angebotenen Fahrzeuge mit dem Typ-2-Stecker ausgestattet werden.
Leider bringt der Ausbau der Ladeinfrastruktur in einigen Fällen eine Verschlechterung der Netzqualität, im elektrischen Energieversorgungsnetz, mit sich. Durch die in den Fahrzeugen eingesetzte Ladeelektronik kommt es zur Beeinflussung der elektrischen Energieversorgung durch Netzrückwirkungen. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die Verfügbarkeit weitere Verbraucher am Netz haben. Aufgrund dieser Tatsache gibt es Normen und Richtlinien zur Einhaltung von Grenzwerten für Netzrückwirkungen. Ein einzelnes Fahrzeug an einer 230-V-Schutzkontakt-Steckdose verursacht weniger bedeutende Netzrückwirkungen. Jedoch heißt das Ziel, eine Millionen E-Fahrzeuge auf Deutschlands Straßen zu bringen. Dazu kommt der Wunsch der schnelleren Ladefähigkeit der Traktionsbatterie des Elektroautos. Um dies zu ermöglichen muss die Leistungsabgabe am Verknüpfungspunkt der Ladesäulen ausreichend groß sein. Elektrofahrzeuge werden üblicherweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten, an verschiedenen Orten und Einspeisepunkten mit unterschiedlichem Energieaufwand geladen. Spricht man von Schnellladung, so werden hier statt 3,68 kVA an einer einphasigen 230-V-AC Schutzkontakt-Steckdose, beispielsweise bis zu 43,5 kVA an einer dreiphasigen Typ-2 Steckdose bzw. bis 170 kVA im DC-high-Lademodus benötigt.
Das Ziel besteht darin, durch eine Studie zur Analyse von Ladevorgängen verschiedener Elektrofahrzeuge, die Qualität des Energieversorgungsnetzes in Bezug auf Netzrückwirkungen zu beurteilen. Dazu wurden in dem Forschungszeitraum zwanzig verschiedene Elektrofahrzeuge organisiert, um deren Ladeverhalten am Netzanschlusspunkt der fachhochschulinternen Ladesäule überprüfen zu können. Die Motivation dieser Arbeit liegt in den Fragen, die sich während der Forschungstätigkeit stellten. Ist die Sinus-Kurvenform im Stromverlauf zu erkennen? Welche Ladeleistungen werden erreicht? Gibt es transiente Einschaltspitzen zu Beginn des Ladevorgangs? Wie hoch ist die Oberschwingungsbelastung durch Stromhar-monische der am Netz angeschlossenen Fahrzeuge?
Zum Thema Oberschwingungsbelastung durch Stromharmonische stellt dies ein besonderes Problem harmonischer Frequenzen dar, die über den Neutralleiter und damit über den Stern-punkt des geerdeten Systems zurückfließen. Nach einer Einführung in die Grundlagen zum Thema Netzrückwirkungen in der Elektromobilität stellt der Praxisteil dieser Arbeit die Messergebnisse der getätigten Netzanalysen von zwanzig verschiedenen E-Fahrzeugen vor, die an der fachhochschulinternen Ladesäule und einmal an der öffentlichen Ladesäule der Koblenzer Elektrizitätswerk und Verkehrs AG geladen wurden. Während der einzelnen Betrachtungen werden die Ergebnisse kritisch bewertet und grafisch dargestellt.
Während des einjährigen Forschungszeitraums konnten zwanzig verschiedene Elektrofahrzeuge an der Fachhochschule Bingen für jeweils etwa eine Woche überprüft werden. Die umfangreichen Messungen sowie die Auswertung der Messdaten ermöglichten es, eine Aussage über die Qualität des Energieversorgungsnetzes in Bezug auf Netzrückwirkungen beim Laden von Elektrofahrzeugen zu machen. Dabei sollte an dieser Stelle nicht der Eindruck entstehen, den Ausbau der Elektromobilität negativ bewerten zu wollen. Vielmehr besteht das primäre Ziel darin, die verschiedenen Netzrückwirkungen zu erkennen, um sie möglichst schnell durch weitere Betrachtungen effektiv beseitigen zu können.
Fünf, der zwanzig untersuchten Fahrzeuge erfüllten die Anschlussbedingungen nicht. Die Stör-aussendung dieser Fahrzeuge ist so hoch, dass Endverbrauchergeräte, die in demselben Netz angeschlossen sind, mit großer Wahrscheinlichkeit in ihrer Funktion gestört werden. Der Netzbe-treiber wird als Energielieferant für eine einwandfreie Netzqualität sorgen müssen und sich daher für eine hohe Qualität in der elektrischen Energieversorgung einsetzen. Betrachtet man die Stör-aussendung der zwanzig untersuchten Fahrzeuge, so wird deutlich erkennbar, in welche Ladeverfahren viel oder wenig Entwicklungsarbeit investiert wurde.
Bei E-Mobil-02, -12, -13 und -14 liegt es sehr nahe, dass zum Gleichrichten der Netzspannung eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke mit kapazitiver Glättung und zusätzlicher Induktivität eingesetzt wird.
Bei E-Mobil-17 wird die Dreiphasenwechselspannung ebenfalls mit einer Brückenschaltung gleichgerichtet. Jedoch wird hier vermutlich mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation inklusiver PFC, power factor correction, der Sinusverlauf annähernd nachgebildet. Dies gelingt nicht voll-ständig, sodass hier die höherfrequenten Oberschwingungen über den Grenzwerten der gültigen Norm liegen.
Bei 75 % der Fahrzeuge ist ein vorbildliches Ladeverhalten zu beobachten. Der Stromverlauf dieser Fahrzeuge weicht während der Ladevorgänge den eines idealen Sinusverlaufs nur noch minimal ab. Des Weiteren ist eine interessante Beobachtung beim Zu- und Abschalten von einem E-Fahrzeug zu erwähnen. Das Zu- und Abschalten der drei Phasen erfolgt nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt.
Anhand der analysierten Fahrzeugmessungen ist erkennbar, dass der Strom im Neutralleiter durch Oberschwingungen größer als der größte Strom im Außenleiter werden kann. In den gemessenen Beispielen ist der Anstieg des Stromes im Neutralleiter nur ein wenig höher als der größte Strom im Außenleiter. Doch kann es bei größeren Belastungen und höherem Oberschwingungsgehalt sehr schnell zur Überschreitung des maximal zulässigen Stromes im Neutralleiter führen. Wenn für den Neutralleiter kein Leitungsschutz installiert wird, kann bei kritischer Überschreitung des Stromes der Neutralleiter thermisch zerstört werden.
Die erkannten Phänomene in dieser Forschungsarbeit machen deutlich, dass nicht erst in naher Zukunft, sondern schon heute der Netzqualität in der Elektromobilität besondere Beachtung geschenkt werden sollte.
Je schneller die Netzrückwirkungen beim Laden von Elektrofahrzeugen erkannt werden, umso zügiger werden geeignete Lösungen zur Sicherung der Qualität des Energieversorgungsnetzes gefunden.
Im Verlaufe der Untersuchungen ergab sich ein Kontakt zu einem Unternehmen, mit dem ein neues Forschungsprojekt initiiert wurde. Während des Ladevorgangs der E-Mobile muss der Berührungsschutz in der Umgebung des Fahrzeuges und der Ladesäule sicher gestellt sein. Das Thema trägt derzeit den Arbeitstitel: Berührungsschutzmaßnahmen beim Laden von E-Mobilen.
Mehr Informationen über
Prof. Dr.-Ing. Christoph Wrede