Technische Universität München

Vorlesung

Umwandlung elektrischer Energie mit

Leistungselektronik

Elektromobilität –

„Erneuerbare“ Energien

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Arcisstraße 21

80333 München

Verhalten menschlicher Gesellschaft

Verhalten menschlicher Gesellschaft

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Verhalten menschlicher Gesellschaft… also gut …… wir wollen alle mobil sein …… dann aber elektrisch …… ohne die Luft zu verpesten …

… es gab selten eine spannendere Zeit

Elektroingenieurzu sein

das Elektro-Auto … das ist unsere Aufgabe !

… auch wenn ein Umdenkenerforderlich ist,

gehört es zur Verantwortungder Ingenieure,

akzeptable Lösungenzu erarbeiten !!!

Waren die Elektrofahrzeugeim Jahr 2003akzeptabel ??

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

Waren die Elektrofahrzeugeim Jahr 2003akzeptabel ??

… wohl ehernicht !!

Was geschah mit den Elektrofahrzeugenaus dem Jahr 2003 ??

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

Was geschah mit den Elektrofahrzeugenaus dem Jahr 2003 ??

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

… wir Ingenieurehaben noch viel Kreativität

zu entfalten …es gehört zu unserer

Verantwortung,akzeptable Lösungen

zu erarbeiten !!!

Welche Autos warenim Jahr 2003akzeptabel ??

… unsere Gesellschafthat das Elektrofahrzeug

noch nicht als gleichwertigakzeptiert !!

… aber auch unsereAutomobil-Industriesteht nicht wirklich

dahinter …

… das ist daran zu erkennen,wie Werbung gemacht wird …

… wir Ingenieurehaben noch viel Kreativität

zu entfalten …es gehört zu unserer

Verantwortung,akzeptable Lösungen

zu erarbeiten !!!

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

… unsere Gesellschafthat das Elektrofahrzeug

noch nicht als gleichwertigakzeptiert !!

… aber auch unsereAutomobil-Industriesteht nicht wirklich

dahinter …

… das ist daran zu erkennen,wie Werbung gemacht wird …

Werbung für dasElektrofahrzeug

Werbung fürattraktive Fahrzeuge

… vielleicht auch so …

Siegerehrung beiElektrofahrzeugen

Siegerehrung beiFormel 1

… selbst bei Siegerehrungenvon Automobilrennen

sieht man denUnterschied !!

… auch hier istein Umdenken erforderlich !

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

verfügen über ein vergleichsweise hohes Einkommen verfügen über einen überdurchschnittlich hohen

Schulabschluss sind mit ihrer Entscheidung für ein Hybridfahrzeug 100%

zufrieden

… Fahrer von Hybridfahrzeugen …

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

… wie bei allen Fahrzeugen,sind Elektro- und Hybridfahrzeuge

ein Status- und Imagesymbol für den Fahrer

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

Wir müssen das Elektrofahrzeug nicht nur technisch verbessern –

Wir müssen aber auch die Akzeptanz auch in der Industrie erhöhen

wir müssen auch das Image des Elektrofahrzeugs „normalisieren“

Umdenken ist erforderlich !

Wir müssen vor allem die Akzeptanzin der allgemeinen Bevölkerung erhöhen

… das ist eine dankbare Aufgabe von uns Ingenieuren !

Source: Martin Eberhard – Keynote „Silicon Valley goes Automotive – How Electric Vehicles Must Change the Way the Auto Industry Thinks” on ECCE 2009, San José, USA

… ein Beispiel für eine notwendige technische Verbesserung :

mit diesem Kabel dauertdie vollständige Ladung der Batterie …

> 8 h

die vollständigeLadung der Batterie

(in ca. 10 – 15 Minuten)wäre kein Problem

für die Batterie

… allerdings braucht man hierzuein wesentlich dickeres

AnschlusskabelUngelöste Probleme :

… die Handhabung… die Infrastruktur

… das ist eine (dankbare) Aufgabe von uns Ingenieuren !

die vollständigeLadung der Batterie

(in ca. 10 – 15 Minuten)wäre kein Problem

für die Batterie

… wir Ingenieurehaben noch viel Kreativität

zu entfalten …das treibt den Fortschritt an,

und es gehört zu unsererVerantwortung,

akzeptable Lösungenzu erarbeiten !!!

ist dasakzeptabel ??

… allerdings braucht man hierzuein wesentlich dickeres

Anschlusskabel

… das ist eine (dankbare) Aufgabe von uns Ingenieuren !

… wir Ingenieurehaben noch viel Kreativität

zu entfalten …das treibt den Fortschritt an,

und es gehört zu unsererVerantwortung,

akzeptable Lösungenzu erarbeiten !!!

… ein großer Automobilkonzernhat das ebenfalls bereits erkannt

… und wirbt hiermit

um Mitarbeiter

Ladetechnik/Infrastruktur

… ohne Infrastruktur keine Elektromobilität

Elektromobilität erneuerbare Energien

Infrastruktur – wie lässt sich das HenneEi – Problem lösen ?

Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

… was braucht man zuerst ???

Fahrzeug Infrastruktur

Elektromobilität erneuerbare Energien

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

… global gesehen macht Elektromobilitätnatürlich erst dann wirklich Sinn

wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen stammt !

Quelle : Robert Schätzke - Virtuelles Kraftwerk als Zukunftsvision?Herausforderungen von der Grundlagenforschung bis zur Umsetzung;

VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

… aber unabhängig hiervon …

…wo kann ich mein Elektrofahrzeug laden ?

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

… aber unabhängig hiervon …

• … dabei ist der Anteil der Energie- bzw. Stromkosten fast vernachlässigbar

• … viel entscheidender sind die Kosten des (elektrischen) Energiespeichers im Fahrzeug !

• Wesentlich für die Frage der (Gesamt-)Kosten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist die Frage :

Wie bekomme ich die Energie in das Fahrzeug ?

(und was kostet das ?)

…wo kann ich mein Elektrofahrzeug laden ?

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Öffentlich Privat

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Fragen

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Lade-Elektronikmobil stationär

• aber … da ist noch die Sache mit dem Gewicht …

Quelle : Heiko Herchet - Sichere und intelligente Ladung: OnBoard Charger als Schlüsselelement; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Ladesäulen heute und in Zukunft

mit Ladesäulen– zu Hause oder öffentlich –

wird experimentiert

Quelle : Robert Schätzke - Virtuelles Kraftwerk als Zukunftsvision?Herausforderungen von der Grundlagenforschung bis zur Umsetzung;

VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Ladesäulen mit Lastverteilung und Rückeinspeisung

mit Ladesäulen– zu Hause oder öffentlich –

wird experimentiert

später

geeignete (Haushalts-)Steckdosen

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

geeignete (Haushalts-)Steckdosen

Charger in Household

Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Wallbox (Heiminstallation)

Quelle : Benjamin Kaehler - Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle von Ladeinfrastruktur; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

(DC-)Charger in Public

Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Stromzwischenkreisumrichter (CSI) ??

später

Ladetechnik/Infrastruktur:

… kann uns die Deutsche Bahn helfen ???

… die haben doch „genug“ Strom !!!

Quelle : Steffen Sauerbrei - Blick in die „elektromobile“ Praxis; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Ladetechnik/Infrastruktur:

Batterie-Wechselstationen

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Ladetechnik/Infrastruktur:

lokale Zwischenspeicher

Motivation(Beispiel aus der Industrie)

Material Handling and Processing system with Short Primary Linear Motors

Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives

presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

… die notwendige Energiewird berührungslos

auf die Fahrzeugeübertragen

General Aspects- The costs can be reduced considerably by using

- With Primary as an Active vehicle:

Energy and Information must be transferred Contactless

(No cables and brushes)

- The Contactless Energy Transmission has

on-Board energy storage (in this case with Ultracapacitors)

• … to provide the Peak of Power (Accelerating)

• … to absorb the Braking Energy

peak power limitation

• … this can Reduce the Size and Cost of the contactless system

Linear Induction Motor (LIM) at the transporting section

- Design of a Transition Control Strategy at the Border (LIMPMLSM)

Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM)

at the processing station

Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives

presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

Combined transportation and processing of material

using active vehicle with contactless energy transmission

(and passive track)

ZOOM

Bidirectional DC-DC

converter

Ultracapacitor

Inverter

Passive track(induction rail)

Mobile DC-DC

converter

StationaryMedium

frequencyInverter

Litz Cable

Passive track(stationary magnets)

Source : T. Fernandes, P. Mutschler; TU Darmstadt Department of Power Electronics and Control of Drives

presented on APEC 2012, Orlando, Florida, USA

berührungslose Energieübertragung

Quick Charging (CHAdeMO Standard)

Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Quick Charging (CHAdeMO Standard)

Vorschlagzum Ausbau der Ladeinfrastruktur

Quelle : Eduard Stolz - Ladeinfrastruktur und -technik in der Umsetzung Park & Charge; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

Ladetechnik/Infrastruktur:

Photovoltaik

Elektromobilität erneuerbare Energien

Quelle : Hans-Peter Habermeier, Amid Yudan - Wechselbatterie – emissionsfreie Erhöhung der Reichweite; VDI-Fachkonferenz „Ladeinfrastruktur und –technik Elektromobilität“,23./24. 11. 2011, Sindelfingen

… global gesehen macht Elektromobilitätnatürlich erst dann wirklich Sinn

wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen stammt !

… zur Erinnerung !!!

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellenje nach Sonneneinstrahlung

verschiebt sich die Kennlinienach oben oder nach unten

… die Arbeitspunktemaximaler Leistung

liegen hier …

… der Arbeitspunktmaximaler Leistung

(maximum power point)

verändert sich mit dem Sonnenlicht

… und wird dahermit Leistungselektronik nachgeregelt(MPPT – Maximum Power Point Tracking)

Spannung [V]

Stro

m [

A]

Erzeuger-Zählpfeilsystem !

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellenje nach Sonneneinstrahlung

verschiebt sich die Kennlinienach oben oder nach unten

… in diesem Bereich ist die Kennliniewie eine Stromquelle

– sogar ziemlich ideal

… in diesem Bereich ist die Kennlinieeher wie eine Spannungsquelle– das allerdings nicht ganz so ideal

Spannung [V]

Stro

m [

A]

Erzeuger-Zählpfeilsystem !

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellenje nach Sonneneinstrahlung

verschiebt sich die Kennlinienach oben oder nach unten

… die maximale Leistungkann an diesem Punkt

abgegriffen werden

… dieser ist allerdingsim Betrieb nicht konstant

Wenn die maximal möglicheLeistung genutzt werden soll,

darf nichtdie Kennlinie der Solarzellesondern es muss

die Kennlinie der Lastangepasst werden

mit einem DC/DC-WandlerSpannung [V]

Stro

m [

A]

Erzeuger-Zählpfeilsystem !

Arbeitspunkt ?

… wie soll die Last sich verhalten ???

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen

… wie eine Stromquelle ???

… zur Erinnerung !!!

… das geht nicht !

Spannung [V]

Stro

m [

A]

Arbeitspunkt ?

… wie soll die Last sich verhalten ???

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen

… wie eine Spannungsquelle ???

… zur Erinnerung !!!

… das geht ,wird im Grenzbereich (rechts)

allerdings schwierig!!!

Spannung [V]

Stro

m [

A]

Arbeitspunkt ?

… wie soll die Last sich verhalten ???

Arbeitskennlinie von Photovoltaik-Zellen

… das geht

Spannung [V]

Stro

m [

A]

… am besten wie ein Widerstand !!!

MPPT Structure

Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne)

Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

V

Duty Ratio

S

PV

IPVVPV

VL

DSP, interface, and driver circuits

PV

generator CL

IPV IL

RL

L

C

Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne)

Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

MPPT

MPPT Algorithms

Mapping or Model Based algorithms

A model of the system is developed to “map” the operating characteristics and identify the MPP

Simple models are not very effective

More complex models require significant computational resources and are site specific

Not suitable for commercial applications

Constant voltage algorithm

Hill climbing algorithms

Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne)

Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

Source : M. A. Elgendy, B. Zahawi and D. J. Atkinson (University of Newcastle upon Tyne)

Low Cost MPPT Algorithms for PV Application: PV Pumping Case Study

Hill Climbing MPPT