Technische Diskussion zum openDC_Charger

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Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon strahler » Di 2. Mai 2017, 12:50

Offensichtlich ist es der Wunsch auch eine technische Diskussion zum openDC_Charger zu führen.

Somit starte ich mal mit der Erläuterung einiger technischer Randbedingungen:

1. Netzseitige Anschlussleistung: In Europa sind für grössere Leistungen dreiphasige Anschlüsse mit bis zu 32 A pro Phase noch verhältnissmässig einfach zu realisieren. Damit ergibt sich eine Anschlussleistung insgesamt von 22 kW. Für grössere Anschlussleistungen werden häufig Sonderbewilligungen benötigt. Gleichzeitig sind 22 kW für ein DC-Ladegerät die minimalste Anschlussleistung, die meiner Meinung nach noch Sinn macht. Deshalb habe ich das Leistungsmodul für einen Phasenstrom von 32 A an 230 V ausgelegt.

2. Erster Grund für die Trennung des Leistungsmoduls pro Phase: Die EMV-Vorschriften (EN6100) legen Grenzwerte für den Bezug von pulsierenden Strömen (und damit entsprechenden Oberschwingungen) aus dem Netz fest, die von einem Gerät in der vorgesehenen Leistungsklasse mit klassischem Gleichrichter und Glättung nicht erfüllt werden können. Deshalb ist die Leistungsfaktor-Vorregelung (PFC) quasi zum Standard für viele leistungselektronische Geräte geworden. Die PFC ist auch im Leistungsmodul vorgesehen und meines wissens nur pro Phase einzeln realisierbar. Also selbst in einem Gerät, das dreiphasig angeschlossen wird, ist die PFC einzeln pro Phase umgesetzt.

3. Zweiter Grund für die Trennung des Leistungsmoduls pro Phase: Die magnetischen Bauteile sind inzwischen die teuersten Einzelbauteile in der Leistungselektronik. Darunter fallen die Drosseln und der Transformator. Die Preise für die benötigten Ferritkerne sind stark abhängig von den produzierten Stückzahlen. Meine Abklärungen ergaben, dass die Preise für die Ferritkerne bis zu einer übertragbaren Leistung von 8 - 10 kW auch in kleinen Stückzahlen noch tragbar sind. Sobald die Leistung 20 kW oder mehr beträgt, steigen die Preise überproportional stark an und die grossen Ferrite sind im Grosshandel nicht mehr erhältlich. Ähnliches gilt auch für die Leistungshalbleiter. Deshalb habe ich mich dazu entschlossen, das Leistungsmodul < 10 kW übertragbare Leistung zu halten.

4. Dritter Grund für die Trennung des Leistungsmoduls pro Phase: Durch das modulare System können drei der Leistungsmodule in Stern ans Drehstromnetz geschaltet werden oder es können 1 - 3 Leistungsmodule parallell an einer Phase betrieben werden, wenn kein Drehstromnetz zur Verfügung steht. Wenn damit z.B. ein mobiles Ladegerät gebaut wird, ergibt sich sogar die Option für den Betrieb an einer einphasigen Steckdose mit einem Leistungsmodul, wenn einfach nichts anderes zur Verfügung steht. Mit zwei Leistungsmodulen parallel pro Phase ergibt sich bereits eine Anschlussleistung von 44 kW z.B. für eine stationäre Ladestation usw.

5. Wahl der Anschlusspannung von 230V: Durch die PFC entsteht bei einer Anschlusspannung von 230 VAC eine Zwischenkreisspannung von ca. 400 VDC. Dadurch können noch die 600 V-Typen von Leistungstransistoren verwendet werden. Bei 400 VAC Anschlussspannung würde eine Zwischenkreisspannung von ca. 650 VDC entstehen. Damit müssten die 1200 V-Typen der Schalttransistoren verwendet werden, die bedeutend teurer zu stehen kommen. Die Wahl von 230 VAC Anschlussspannung ist meiner Meinung nach ein akzeptabler Kompromiss zugunsten der Kosten.

Vorerst mal soviel zu meinen Überlegungen.
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon Ragnarok » Di 2. Mai 2017, 13:22

Die einphasige Lösung ist auch aus weltweiter Sicht das Richtige, nicht jeder hat ein 3-Phasen-Netz.

Ich würde aber die entstehende DC Spannung mal diskutieren:
Die Spannungslage sollte mindestens Richtung 450V gehen, damit auch zukünftige Autos damit geladen werden können.
Die unterste Spannung von 280V ist für alte Fahrzeuge auch grenzwertig, wie weit kann man da runtergehen?
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon eDEVIL » Di 2. Mai 2017, 13:27

Danke für die Erläuterungen. Wenn dadurch die 400 EUR pro 7KW machbar sind, soll gern auch einphasig bleiben.
Die Leistungsteile für einen 43kW Lader für 2400 EUR zu beklommen ist auf jeden Fall attraktiv.
Da sind dann 4000 EUR gesamtkosten für eine Chademo/CCS Säule denkbar
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon Schrauber601 » Mi 3. Mai 2017, 10:51

Einzelphasen-Module sind auch nicht nur für externe Ladegeräte interessant, sondern natürlich auf zur Aufrüstung von 1ph BEV... Hier gibt es nur ein recht bescheidenes Angebot an 400Vdc Ladegeräten. An Deiner Stelle würde ich den Aufbau möglichst einfach halten und auch nur für die 80S-96S Fahrzeuge dimensionieren. So sehr auch die Leute sich hier im Thread das ultimative Universal-Gerät wünschen - so wenig sinnvoll finde ich das. Meine Anforderungen:
- einstellbare obere Spannung (statisch, bei überschreiten ist das Modul inaktiv)
- Eingangsstrom-Begrenzung mittels passiver CP Auswertung (nur Puls-Länge bestimmen)
- dynamisch (CAN, PWM) einstellbarer Ladestrom (für Realisierung externer DC-LG), per Konfig / Jumper statisch auf Maximum (für BEV Aufrüstung)
- zu kühlende Leistungsbauteile auf einer Fläche / Seite (Kühlkörper + Luft) oder Wasserkühlung realisierbar.

Gerne kann so ein Power-Modul auch >400€ kosten - es sollte aber deutlich unter 1000€ zu realisieren sein.

MfG
Jan
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon Ahvi5aiv » Mi 3. Mai 2017, 21:33

Hallo,

ok, ich verstehe was Du meintest. Ich war auch der Meinung das das teuerste die Ferrittransformatoren sein werden.
Ich habe aber auch noch keine Kerne gefunden die bei ca. 100kHz Switchfrequenz ca. 25 kW übertragen können,
aber auch noch nicht extrem nach gesucht.

Das eine aktive PFC nur phasenweise funktioniert war mit nicht bekannt. Ich dachte ich hätte schon passende
IC's gesehen die das bewerkstelligen. Allerdings habe ich auch nicht weiter nachgeforscht.

Bei den SiC Leistungshalbleitern auf der DC Seite bin ich von 4 Stück ausgegangen und habe mir die größeren Typen angesehen (1200 V +). Da Zwischenkreis DC zum Trafo die Spannung verdoppeln können. Ich bin davon ausgegangen das selbst das schon knapp werden kann. Ich meine das ich bei 40 - 60 A Typen immer bei etwa 100 - 130 €/Stück netto lag.
Daher war ich im groben von einem Teilepreis von ca. 2000 € pro 3~ Leistungsmodul bei 22kW ausgegangen.

Wenn man es sauber schafft drei Module so zu schalten das die gleichmäßig belastet werden und der Preis für drei einzelne 1~ Module mit je ca. 7kW in etwa der gleiche ist dann hat das den Vorteil das man bei einem defekt eines Moduls nur eins tauschen/reparieren muss.
Wie bewerkstelligt man eigentlich die gleiche Belastung? Mittels kontrollierter Strombegrenzung? Bei ungleicher Last, was ja unweigerlich bei ungeregeltem zusammenschalten durch leicht unterschiedliche Innenwiderstände zustande kommt, kommt es ja dann auch unweigerlich zu unterschiedlichen Belastungen der Phasen, oder?
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon Ahvi5aiv » Mi 3. Mai 2017, 23:14

Was mir noch eingefallen ist, wenn ein großer Transformator zu teuer ist, kann man nicht 2 kleine nehmen und in Reihe betreiben? Wenn man dann auch die Ausgänge in Reihe betreibt sollte die Lastverteilung gleich bleiben und sie verhalten sich wie ein Transformator.
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon umali » Do 4. Mai 2017, 22:02

Hallo strahler,
ok - Deine Erläuterungen zur Wahl von 3 Einzelplatinen sind nachvollziehbar und sinnvoll.

Ein Modul soll 310 x 280 x 65 mm groß sein. Könnte man das nach einem Proto noch minimieren?
Wenn es gelingt, 3 davon + die kleine Steuerelektronik kühltechnisch geschickt + platzminimiert in ein cooles (also kühl u. coole Optik) zu bauen, hätte so ein 3x7kW-DC-Lader sicher sehr gute Chancen für eine breite Nutzung.

Klar muss erst der Proto zunächst funktionieren, gern auch groß u. schwer. Nur die Option auf praxistaugliche Verkleinerung muss gegeben sein.
Wenn dem so ist, würde ich es sicher fördern.

VG umali
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon strahler » Fr 5. Mai 2017, 11:21

umali hat geschrieben:
Hallo strahler,
Klar muss erst der Proto zunächst funktionieren, gern auch groß u. schwer. Nur die Option auf praxistaugliche Verkleinerung muss gegeben sein.
Wenn dem so ist, würde ich es sicher fördern.

VG umali


Was verstehst du unter "praxistauglicher Verkleinerung"? Wie klein sollte das Gerät deiner Meinung nach sein? Es kann schon sein, dass sich der Wirkungsgrad als besser herausstellt, als berechnet. Dann könnte der Kühlkörper verkleinert werden. Die Grösse und damit das Volumen des Moduls wird zu mindestens 50% allein aus dem Kühlbedürfniss bestimmt. Da das Gerät luftgekühlt wird, ist eine wesentliche Verkleinerung des Volumens nicht zu erwarten. Bei der Printplatte wird eine Verkleinerung kaum möglich sein, da aufgrund der Spannung und der Sicherheitsvorschriften bestimmte Mindestabstände und Kriechstrecken eingehalten werden müssen.
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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon umali » Fr 5. Mai 2017, 21:59

Ich meine das so, dass man ALLE Register zieht, um das klein zu bekommen.
Z.B. könnte für 3p ein gemeinsamer KK verwendet werden, der im Zusammenspiel mit guter Luftführung, optisch ansprechenden und gleichzeitig funktionellem Design minimales Volumen sichert. Der Knackpunkt ist immer das handling.
Google hatte mal vor ein paar Monaten ein Kampagne, um einen Wechselrichter zu verkleinern. Da kamen extrem kleine Einheiten dabei raus.

Wenn ich ein City-E-car mit einer großen DC-Ladebox bestücken muss, wo es mir 30% der Kofferraumes nimmt, wird das kaum akzeptiert werden.
Ich kenne aber den Entwicklungsweg. Zuerst muss die Platine sauber funktionieren, erst danach geht's ans shrinken.

Den hier liebe ich sehr:
"Nimm das Beste, was existiert und mach es besser. Wenn es nicht vorhanden ist, konstruiere es." Sir Henry Royce
Gerade Eigenkonstruktionen haben ein unheimlich großes Potential, mit Hilfe der community zu Top Produkten aufzusteigen.

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Re: Technische Diskussion zum openDC_Charger

Beitragvon Andilux » Sa 6. Mai 2017, 11:36

Wird auch ein Zielpreis angestrebt ?
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