Neue Ladelösung für E-Autos mit Doppelbatterie
Die Elektromobilität steht vor einer entscheidenden Wende. Während die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) weltweit steigt, rückt nicht nur die Reichweite, sondern auch die Ladeinfrastruktur immer stärker in den Fokus der Nutzer. Schnellladesäulen bieten zwar hohe Leistung, sind jedoch teuer im Aufbau, beanspruchen viel Platz und belasten das öffentliche Stromnetz. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Entwicklung intelligenter, integrierter Ladelösungen an Bedeutung – Systeme, die direkt im Fahrzeug verbaut sind und eine effiziente, netzschonende sowie kostengünstige Alternative darstellen. In dieser Disziplin hat ein Forscherteam aus China nun eine bahnbrechende Technologie vorgestellt, die das Potenzial hat, die Art und Weise, wie Elektrofahrzeuge geladen werden, grundlegend zu verändern.
Angeführt von Guo Lei, einem Doktoranden an der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, haben Wissenschaftler ein neuartiges integriertes Ladesystem entwickelt, das auf einem sogenannten Open-Winding-Permanentmagnet-Synchronmotor (OW-PMSM) basiert. Dieses System geht über konventionelle Ansätze hinaus, indem es nicht nur das Ladeverhalten optimiert, sondern auch die zugrundeliegende Fahrzeugarchitektur revolutioniert. Statt separate Komponenten für Antrieb und Ladung zu nutzen, wird bei dieser Lösung die bestehende Motor- und Leistungselektronik während des Ladevorgangs umfunktioniert. Der Motor, normalerweise verantwortlich für die Fortbewegung, dient dabei gleichzeitig als zentraler Bestandteil des Ladegeräts. Diese sogenannte „Re-Use“-Strategie ermöglicht eine extrem hohe Integration, reduziert das Gewicht, spart Bauraum und senkt die Gesamtkosten – eine Kombination, die für die Automobilindustrie von höchster Relevanz ist.
Das Herzstück des neuen Systems ist die sogenannte Doppelbatterie-Architektur, die speziell auf die Eigenschaften des Open-Winding-Motors abgestimmt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren, bei denen die drei Phasenwicklungen intern verbunden sind, verfügt ein Open-Winding-Motor über zwei vollständig separate Wicklungsstränge. Jeder dieser Stränge ist mit einem eigenen Wechselrichter verbunden. Diese Architektur bietet eine natürliche Trennung und ermöglicht es, zwei unabhängige Batteriesysteme gleichzeitig und separat zu laden. Die Forscher haben diese Struktur nun genutzt, um ein integriertes Ladesystem zu schaffen, bei dem das dreiphasige Wechselstromnetz direkt an die Mittelpunkte der Motorwicklungen angeschlossen wird. In diesem Zustand werden die beiden Wechselrichter nicht mehr als Antriebseinheiten, sondern als Gleichrichter (sogenannte Voltage Source Rectifiers, VSR) verwendet, um den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom für die Batterieladung umzuwandeln.
Ein entscheidender Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Nutzung der Motorwicklungen selbst. Diese fungieren während des Ladevorgangs als Eingangsfilterinduktivitäten – ein Bauteil, das in herkömmlichen Ladegeräten separat und oft groß dimensioniert werden muss. Durch diese Re-Use-Strategie entfällt die Notwendigkeit für zusätzliche, schwere und teure Induktivitäten und Kondensatoren, was zu einer erheblichen Reduktion des Volumens und des Gewichts führt. Dies ist ein entscheidender Schritt in Richtung leichterer und effizienterer Elektrofahrzeuge, bei denen jedes Kilogramm und jeder Kubikzentimeter zählt.
Die Herausforderung, die das Team um Guo Lei adressiert, ist jedoch komplexer als die reine Integration. In der realen Anwendung ist es äußerst unwahrscheinlich, dass beide Batteriesysteme exakt denselben Ladezustand (State of Charge, SOC) aufweisen. Unterschiedliche SOC-Werte führen zu unterschiedlichen äquivalenten Lastwiderständen während des Ladevorgangs. Dies wiederum führt zu einer unausgeglichenen Leistungsverteilung zwischen den beiden Ladekanälen. Wenn beide Kanäle nicht exakt die gleiche Leistung aufnehmen, fließen unterschiedlich starke Wechselströme durch die beiden Wicklungsstränge des Motors. Diese unsymmetrischen Ströme erzeugen jedoch keine nennenswerte Drehbewegung, da der Motor während des Ladens stillsteht. Stattdessen erzeugen sie ein pulsierendes elektromagnetisches Drehmoment, auch bekannt als Drehmomentwelligkeit.
Dieses pulsierende Drehmoment ist mehr als nur ein theoretisches Problem. In der Praxis kann es zu unerwünschten mechanischen Vibrationen führen, die sich als störendes Brummen oder Rasseln im Fahrzeuginnenraum bemerkbar machen. Solche Geräusche beeinträchtigen den Fahrkomfort erheblich und stehen im Widerspruch zu der Erwartungshaltung an Elektrofahrzeuge, besonders ruhig zu sein. Darüber hinaus kann die dauerhafte Belastung durch dieses Welligkeitsmoment die Lebensdauer von Getriebe, Lager und anderen Antriebskomponenten negativ beeinflussen. Die Unterdrückung dieses Drehmomentpulses ist daher nicht nur eine Frage der Effizienz, sondern auch der Zuverlässigkeit und des Komforts.
Um dieses kritische Problem zu lösen, hat das Forschungsteam eine neuartige Regelungsstrategie entwickelt, die als „Quasi-Direct Power Control“ (QDPC) bezeichnet wird. Diese Strategie stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber herkömmlichen Ansätzen dar. Traditionelle Regelungen arbeiten in einem rotierenden Koordinatensystem (dq-System), das mit der Netzfrequenz synchronisiert ist. Dies erfordert komplexe Berechnungen, darunter einen Software-Phasenregelkreis (PLL), um die genaue Phase der Netzspannung zu erfassen, sowie aufwendige Entkopplungsrechnungen, um die aktive und reaktive Leistung unabhängig voneinander regeln zu können. Diese Prozesse sind rechenintensiv, verbrauchen wertvolle Rechenressourcen des Steuergeräts und können die dynamische Reaktionsfähigkeit des Systems beeinträchtigen, insbesondere bei schnellen Laständerungen.
Die QDPC-Strategie umgeht diese Komplexität, indem sie direkt im ruhenden αβ-Koordinatensystem operiert. Anstatt die Netzphase durch einen PLL zu verfolgen, berechnet das System die gewünschten Stromsollwerte direkt aus den gemessenen Netzspannungen und den vorgegebenen Leistungswerten. Dies ermöglicht eine direkte und präzise Steuerung der Ströme in den beiden Motorwicklungen, ohne die Notwendigkeit für zeitaufwendige Koordinatentransformationen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass in diesem Koordinatensystem die Ströme in α- und β-Richtung nicht miteinander gekoppelt sind. Um dennoch eine fehlerfreie Regelung der Wechselströme zu gewährleisten, wird anstelle eines klassischen PI-Reglers ein PR-Regler (Proportional-Resonant-Regler) eingesetzt. Dieser Reglertyp besitzt bei der Netzfrequenz (50 Hz) eine unendlich hohe Verstärkung, was eine nahezu perfekte Nachführung des Sollstroms ermöglicht.
Das Ergebnis ist ein Regelungssystem, das nicht nur einfacher aufgebaut ist, sondern auch wesentlich schneller und robuster reagiert. Die Forscher haben ihre Theorie durch umfangreiche Simulationen und einen praktischen Prototypen verifiziert. Die Ergebnisse sind beeindruckend. In stationären Tests mit unterschiedlichen Lastverhältnissen – einem Maß für die Ungleichheit der Batterielasten – zeigte das System eine herausragende Leistung. Bei einem Lastverhältnis von 1,5, was einer erheblichen Ungleichheit entspricht, blieb die Gesamtharmonische Verzerrung (THD) des Netzstroms unter 4,5 %. Dies ist ein hervorragender Wert, der eine nahezu sinusförmige Stromaufnahme und damit eine hohe Netzqualität garantiert. Gleichzeitig wurde das durch die Lastungleichheit verursachte pulsierende Drehmoment auf ein Minimum reduziert. Der Spitze-Spitze-Wert der Drehmomentwelligkeit lag unter 1,26 Nm, was für eine nahezu vibrationsfreie und geräuschlose Ladung sorgt.
Die Dynamik des Systems wurde in Tests unter variabler Last und variabler Ausgangsspannung untersucht. In diesen Versuchen wurde die Last asymmetrisch verändert, um den realen Ladevorgang einer Batterie nachzuahmen, deren interner Widerstand sich mit steigendem Ladezustand verändert. Das QDPC-System reagierte äußerst stabil. Die Abweichung der mittleren aktiven Leistung betrug maximal 18,43 Watt, und die Drehmomentwelligkeit blieb kontrolliert. Im direkten Vergleich mit einer herkömmlichen Regelungsstrategie schnitt das QDPC-System deutlich besser ab: Die Leistungsabweichung war mit 32,75 Watt fast doppelt so hoch, und die Drehmomentwelligkeit erreichte einen Spitze-Spitze-Wert von 1,76 Nm – ein Anstieg von fast 50 %. Dieser direkte Vergleich unterstreicht die Überlegenheit der neuen Regelungsstrategie, insbesondere in dynamischen Szenarien, die im Alltag eines Elektrofahrzeugs häufig auftreten.
Die Bedeutung dieser Forschung liegt nicht nur in der technischen Raffinesse, sondern auch in ihrer praktischen Umsetzbarkeit. Die vorgeschlagene Topologie baut auf Komponenten auf, die bereits in modernen Elektrofahrzeugen verwendet werden oder in naher Zukunft Einzug halten werden. Der Open-Winding-Motor ist kein exotisches Konzept mehr, sondern wird aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, seiner ausgezeichneten Ausfallsicherheit und seiner thermischen Vorteile zunehmend in hochwertigen und kommerziellen Anwendungen eingesetzt. Die Integration der Ladefunktion in diesen bestehenden Antriebsstrang bedeutet, dass Automobilhersteller keine völlig neuen Plattformen entwickeln müssen, sondern die Effizienz ihrer bestehenden Systeme erheblich steigern können.
Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität, die die Doppelbatterie-Architektur bietet. Diese ermöglicht eine differenzierte Energieverwaltung. Eine Batterie könnte beispielsweise für hohe Energiedichte optimiert sein, um die Reichweite zu maximieren, während die zweite Batterie auf hohe Leistungsdichte ausgelegt ist, um starke Beschleunigungen und effizientes Rekuperieren zu ermöglichen. Während der Fahrt können beide Batterien gemeinsam den Motor speisen. Beim Laden jedoch können sie unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Strömen aufgeladen werden, basierend auf ihrem jeweiligen Zustand. Dies führt zu einer schonenderen Behandlung der Batteriezellen, verlängert die Lebensdauer und verbessert die thermische Stabilität des gesamten Energiesystems.
Aus ökologischer Sicht ist die Reduktion von Materialverbrauch und elektronischem Abfall ein weiterer Pluspunkt. Traditionelle On-Board-Ladegeräte enthalten große Mengen an Kupfer, Eisen und seltener Erden in ihren Induktivitäten und Transformatoren. Indem das System diese Komponenten durch die Re-Use-Strategie überflüssig macht, reduziert es nicht nur den Ressourcenverbrauch, sondern auch die Umweltbelastung während der Herstellung und Entsorgung. Zudem trägt die hohe Leistungsfaktorkorrektur (nahezu 1.0) und die geringe harmonische Verzerrung dazu bei, das öffentliche Stromnetz zu entlasten und die Integration erneuerbarer Energien zu erleichtern.
Das Potenzial dieser Technologie erstreckt sich weit über den Bereich der Personenkraftwagen hinaus. Für gewerbliche Flotten, Lieferfahrzeuge und städtische Busse, die typischerweise nach einem festen Dienstplan arbeiten und jede Nacht in ihre Depots zurückkehren, wäre ein solches integriertes Ladesystem ideal. Die Möglichkeit, die Fahrzeuge über die Nacht mit günstigem Netzstrom zu laden, ohne auf teure und platzraubende DC-Schnellladesäulen angewiesen zu sein, würde die Betriebskosten erheblich senken und die Betriebsabläufe vereinfachen.
Trotz der beeindruckenden Ergebnisse gibt es noch Herausforderungen, die adressiert werden müssen. Die Theorie setzt eine perfekte Symmetrie der Motorwicklungen voraus, was in der Massenproduktion aufgrund von Fertigungstoleranzen nur schwer zu erreichen ist. Auch kleine Abweichungen könnten die Effektivität der Drehmomentunterdrückung beeinträchtigen. Zukünftige Forschung wird sich daher wahrscheinlich auf adaptive Regelungsalgorithmen konzentrieren, die in der Lage sind, solche Unregelmäßigkeiten in Echtzeit zu erkennen und zu kompensieren.
Ein weiteres spannendes Forschungsfeld ist die Erweiterung dieses Konzepts auf andere Motortypen, wie z.B. Schrittmotoren oder Asynchronmaschinen, die möglicherweise andere Kostenvorteile oder Steuerungseigenschaften bieten. Die Integration von Vehicle-to-Grid (V2G)-Funktionen in dieselbe Architektur könnte zudem die nächste Stufe der Intelligenz darstellen. Ein Fahrzeug könnte dann nicht nur Strom beziehen, sondern auch bei Bedarf Energie aus seiner Batterie zurück ins Netz einspeisen, was eine wichtige Rolle in zukünftigen intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) spielen würde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die von Guo Lei und seinen Kollegen vorgestellte Doppelbatterie-Integrationsladelösung einen signifikanten Fortschritt in der Entwicklung von Elektrofahrzeugen darstellt. Durch die tiefgreifende Integration von Antriebs- und Ladesystemen in einem einzigen, multifunktionalen Aggregat gelingt es, Effizienz, Zuverlässigkeit und Komfort auf ein neues Niveau zu heben. Die innovative QDPC-Regelungsstrategie ist der Schlüssel, um die unvermeidbaren Lastungleichgewichte in der Praxis zu beherrschen und eine störungsfreie Ladung zu gewährleisten. Mit der erfolgreichen Validierung durch Simulation und Experiment ist diese Technologie bereit, einen maßgeblichen Beitrag zur nächsten Generation von Elektrofahrzeugen zu leisten und die Transformation der Mobilität weiter voranzutreiben.
Guo Lei, Wei Jiadan, Wang Yiwei, Zhou Bo, Wang Yin, Transactions of China Electrotechnical Society, DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230426