Wie sich Hochvolt-Li-Ion-Akkus aus Brennstoffzellen laden lassen

Autor / Redakteur: Marco Kuhn * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Brennstoffzellen liefern elektrische Energie – um damit aber z.B. die Hochvolt-Akkus eines Elektroautos zu laden, ist ein geeignetes Ladesystem nötig. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.

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Immer mehr mutiert die Stromversorgung zu einem intelligenten Leistungsblock, an den mehr Forderungen gestellt werden, als nur zu „wandeln“ und „Leistung zur Verfügung zu stellen“, wie Batterieladegeräte und Batteriewechselrichter aus Hochvolt- und Niedervolt zeigen. In aktuellen Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden bereits 1,7- und 5-kW-Spannungswandler zur Erzeugung der 12- oder 24-V-Niederspannung aus der Hochspannung in Serie eingesetzt.

Die neuesten Entwicklungsergebnisse sind 8-kW-Power-Units, die aus einer Brennstoffzelle gespeist als Range-Extender oder als USV-Anlage zum intelligenten Batterieladen von Hochvoltbatterien eingesetzt werden können. Die Batterieladegeräte der Serie PM 01 haben einen stromgeführten Eingang, Wasserkühlung und bieten umfangreiche Kommunikationschnittstellen für mobile und stationäre Applikationen zwischen der potentialgetrennten Primär- und Sekundärseite über RS232 und zum Kunden über den CAN-Bus. Hierzu gehört ein integriertes intelligentes Funktionsmanagement mit folgenden Punkten:

  • Eingangsstrom als Funktion der Quellen-Chrakteristik [IE= f(Brennstoffzelle)], Ausgangsspannung als Funktion der Batterietemperatur [UA = f(TBat)] (Option),
  • Parallelbetrieb von Batterie und eventuellen direkten Zwischenkreis-Verbrauchern mit Stromsplitting in die Batterie (Option),
  • ein übergeordnetes Power-Sharing von mehreren Units.

Brennstoffzellen speisen Batterieladegeräte als Stand-Alone-Geräte

Aus der erzeugten Brennstoffzellen-Spannung im Bereich von 50 - 100 V (andere UE-Bereiche sind optional möglich) werden diese Batterieladegeräte als Stand-Alone-Geräte gespeist. Der Eingangsstrom der Ladegeräte passt sich entsprechend der programmierten Quellen-Charakteristik an den Betriebszustand der Brennstoffzelle an und verhindert unerlaubte Lastsprünge sowie Spitzenströme durch entsprechndes Einschalt- und Betriebsverhalten.

Die Ausgangsspannung kann fest oder variabel sein

Die Ausgangs-Ladespannung ist für Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien im Nenn-Spannungsbereich >200 bis 600 VDC gedacht und kann als Festspannung ausgeführt werden oder adaptiv durch den Eingriff in den Spannungsregelkreis mittels eines PT-1000-Fühlers verstellt werden. In der Regel liegt der Einstellbereich bei Temperaturen von -35 bis 50 °C. Der Temperaturverlauf ist einstellbar und die Kennlinien-Punkte, ab denen keine Temperaturauswirkung weiter stattfindet bzw. auf die Nennspannung umgeschaltet wird, ist vorwählbar.

Power Sharing regelt die Lastverteilung

Optional ist auch eine entsprechende Bedienoberfläche lieferbar. Bei reinem Lade-Betrieb (Batterieladung ohne Bordnetzversorger) kann die Ladeschlussspannung und der Ladeerhaltungsstrom entsprechend einer Zeitfunktion verändert werden. Sind im Parallelbetrieb Batterie und Verbraucher angeschlossen, wird der Ausgangsstrom des Ladegerätes wesentlich höher sein als der geforderte Batterieladestrom.

Dann ist die Funktion des Stromsplittings möglich, dass die Batterie wie üblich auf Ladeschlussspannung mit dem Splittingstrom geladen wird und dennoch die benötigte Bordnetzleistung vom Batterielader erzeugt wird. Das Power-Sharing sorgt bei Parallelschaltung von mehreren Geräten für eine geregelte Lastaufteilung der einzelnen Units und die Möglichkeit des Betriebs ohne Entkoppeldioden, die den Wirkungsgrad verschlechtern. Die hierzu erforderlichen Funktionen, Regelungen, adaptiven Parameter sind im intelligenten Batterielademanagement abgelegt und basiert auf dem digitalen Regelkonzept dieser Geräteklasse.

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