Mit Eisen-Pulver-Legierungen ohne lange Wartezeit elektrisch tanken

| Autor / Redakteur: Reiner Nowitzki, Christoph Kammenhuber * / Thomas Kuther

Nur die effektive Steigerung von Leistungsdichte ermöglicht es zukünftig, die Batterien in Elektrofahrzeugen rasch elektrisch zu „betanken“: Mithilfe von Magnetika aus Eisenpulver-Legierungen ist diese ehrgeizige Aufgabe lösbar, erfordert aber auch jahrelanges Knowhow und den Einsatz modernster frei konfigurierbarer Pulverpressen.
Nur die effektive Steigerung von Leistungsdichte ermöglicht es zukünftig, die Batterien in Elektrofahrzeugen rasch elektrisch zu „betanken“: Mithilfe von Magnetika aus Eisenpulver-Legierungen ist diese ehrgeizige Aufgabe lösbar, erfordert aber auch jahrelanges Knowhow und den Einsatz modernster frei konfigurierbarer Pulverpressen. (Bild: Finepower)

Eisen-Pulver-Legierungen sorgen für beachtliche Steigerung der Leistungsdichte und verkürzen den Boxenstopp von Elektroautos erheblich.

Die Leistungsdichte – neben Betriebssicherheit der wichtigste Faktor, der den Zukunftsmarkt Elektroautomobilität bestimmt. Hinter dem Begriff Leistungsdichte steht das einfache Kürzel W/cm3, also Watt pro Kubikzentimeter. Völlig lapidar ausgedrückt bezeichnet der Ausdruck nichts anderes als „Wie schnell lädt mein Akku“ – die Frage, die Millionen von Handybesitzern zukünftig auch beim Autokauf stellen werden.

Vom Verbrennungsmotor hin zum Elektroantrieb

Elektromobilität ist der Zukunftsmarkt kommender Jahre. Der beginnende Wandel, weg vom klassischen Verbrennungsmotor, fordert Automobilherstellern- und Zulieferern eine hohe Flexibilität ab. Seit der ersten Realisierung und Nutzung von Elektromobilität ist die primäre Herausforderung für Entwickler und Industrie die Steigerung der Energiedichte in Batterien. Einer höheren Energiedichte (speicherbare Energiemenge) folgt aber sofort die Forderung einer verbesserten Leistungsdichte (Speicher-und Abrufgeschwindigkeit der Energie) auf dem Fuß.

Hier hat die Lithium-Ionen-Technik bereits einen entscheidenden Fortschritt im Vergleich zu Blei- oder NiMH-Batterien geliefert. Und nach wie vor besteht ein großes Entwicklungspotential neuer Batterietechnologien (Bild 1).

Entwicklung und Prognosen zur Energiedichte zeigen deutlich, dass die Anforderungen der Automobilindustrie endlich erfüllt und Reichweiten über der magischen 500-Kilometer-Grenze, mit nur einer Batterieladung, realisierbar sind.

Für die Elektronik in den Fahrzeugen, insbesondere für On-Board-Ladegeräte, bedeutet das eine unabdingbare Steigerung der Leistungsdichte. Denn innerhalb weniger Stunden müssen nicht wie bisher 22 kWh Batterien aufgeladen werden, sondern künftig sind 100 kWh und mehr elektrisch zu „betanken“. Das klare Ziel der Automobilindustrie ist es, in den Bauraum eines Ladegerätes mit einer bisherigen Leistung von 3,5 kW nun 7,5 oder gar 11 kW zu integrieren (Bild 2).

Neben der Steigerung der Leistungsdichte nimmt auch der Wunsch nach Bidirektionalität von Ladegeräten zu. Das einseitige Nehmer-Prinzip wird zum Nehmer-Geber-Prinzip ausgebaut. Große Batterien in Fahrzeugen können wesentlich zur Netzstabilität beitragen und in Haushalten mit dezentraler Stromerzeugung (z.B. durch Photovoltaik) eine höhere Eigennutzung der selbst erzeugten Energie ermöglichen. Die dazu deutschlandweit benötigte Energie stellt nur einen Bruchteil der zukünftig in Automobilbatterien gespeicherten Gesamtmenge dar. Das Ladegerät kann im Bereich von Frequenzschwankungen des Netzes im Phasenschieberbetrieb agieren. Hierdurch wird lediglich Blindleistung umgesetzt, ohne die Batterie nennenswert zu belasten.

Eine solche Funktion ist zum Beispiel in modernen Solarwechselrichtern schon lange Standard. In weiteren Szenarien fungiert die Fahrzeugbatterie während Netzunterbrechungen, Stromausfällen oder bei Außeneinsätzen (Baustellen, Campingplatz) als (Not)Versorgung. Auch die zusätzliche Absicherung kritischer Infrastruktur wie beispielsweise von Krankenhäusern stellt ein nicht zu vernachlässigendes Nutzungspotential dar.

Zukünftige Ziele brauchen neue Lösungen mit neuen Topologien

Wie die genannten Anforderungen mit Hilfe von Magnetikas aus Eisenpulver-Legierungen erreicht werden können, soll die Fortentwicklung der typischen Eingangsstufe eines Ladegerätes darstellen.

Die sogenannte PFC-Stufe (Power Factor Correction = Leistungsfaktorkorrektur) ist nahezu in jedem elektronischen Konverter zu finden, der mit dem Niederspannungsnetz (230 VAC) verbunden ist. Zweck der PFC ist es, die Stromaufnahme aus dem Netz so zu regeln, dass sich ein in Phase liegender Eingangsstrom in Relation zur Netzspannung ergibt. Somit wird zum einen das Netz optimal belastet, zum anderen kann die maximale Wirkleistung in Bezug auf die Netzabsicherung entnommen werden.

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