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Elektromobilität – Infrastruktur & Technik

Impulsvortrag

Dipl.-Ing. Erik Blasius

1. Elektromobilität

2. Laden von

Elektro-fahrzeugen

3. Bidirektionales Laden (V2G)

4. Energie-management-system in SCR

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1. Elektromobilität SMART Capital Region (SCR)

− BTU Cottbus-Senftenberg

− Laufzeit: Juli 2013 bis Juni 2016

− Kernprojekt im „Internationalen Schaufenster Elektromobilität Berlin-Brandenburg“

− Förderung durch das Ministerium für Wirtschaft & Energie des Landes Brandenburg

Ziele:

− Untersuchung & Optimierung des Zusammenspiels einzelner Komponenten &

Technologien an Modellanlagen innerhalb eines Intelligenten Stromnetzes (Smart Grid)

− Entwicklung eines Konzepts zur zukünftigen Nutzung regenerativer Stromüberschüsse

aus Brandenburg in der Hauptstadtregion


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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− Gesamtbestand zugelassene

PKW in Deutschland zum

01.01.2015: 44,4 Mio.

− davon rein elektrisch: 18.948

− rel. Anteil: 0,043 %

Bestand und Planung in Deutschland

http://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/Umwelt/2014_b_umwelt_dusl_absolut.html

http://www.bmbf.de/pubRD/NPE_Fortschrittsbericht_2014_barrierefrei.pdf

http://www.bmbf.de/pubRD/NPE_Fortschrittsbericht_2014_barrierefrei.pdf

− empfohlenes Verhältnis für

Ladeinfrastruktur:

1 öffentliche Ladestation

auf 10 Elektrofahrzeuge

(europäischen Richtlinie

2014/94/EU)


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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Nissan Leaf − Reichweite: 160 km − Vmax : 145 km/h − Energiekapazität: 24 kWh − Preis: ab 23.790 €

http://www.bmw.de/de/neufahrzeuge/bmw-i/i3/2015/erleben.html

http://www.mitsubishi-motors.de/plug-in-hybrid-outlander/#!

http://www.nissan.de/DE/de/vehicle/electric-vehicles/leaf.html

BMW i3 − Reichweite: 171 km − Vmax : 150 km/h − Energiekapazität: 22 kWh − Preis: ab 34.950 €

Mitsubishi Outlander PHEV − Reichweite hybrid (elektrisch): 800 km (52 km) − Vmax hybrid (elektrisch): 170 km/h (120 km/h) − Energiekapazität: 12 kWh − Preis: ab 39.990 €

Modelle (Auszug)

http://www.e-stations.de/cars.php


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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http://www.teslamotors.com/de_DE/models

http://www.german-e-cars.de/uploads/media/Leichte_Nutzfahrzeuge.pdf

http://www.renault.de/renault-modellpalette/ze-elektrofahrzeuge/kangoo-ze/kangoo-ze/

Tesla Model S 85D − Reichweite: 502 km − Vmax : 250 km/h − Energiekapazität: 85 kWh − Preis: ab 85.900 €

Renault Kangoo Z.E. Maxi − Reichweite: 142 km − Vmax : 130 km/h − Energiekapazität: 22 kWh − Preis: ab 26.180 €

German E-Cars Plantos − Reichweite: 120 km − Vmax : 130 km/h − Energiekapazität: 39 kWh − Preis: ab 80.000 €

http://www.e-stations.de/cars.php

Modelle (Auszug) 1. Elektromobilität

2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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Ladebetriebsarten (Modes)

Ladebetriebsart 1 − AC, einphasig, SchuKo-Stecker (Netzanschluss), max. zulässige 16 A (3,7 kW) − keine Kommunikation, externe Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (Gebäudeinstallation) − Ladegerät befindet sich im Fahrzeug

2. Laden von Elektrofahrzeugen


2. Laden von Elektro-fahrzeugen



http://www.netzleitungen.com/media/images/org/Schukostecker_IP44_Typ_F1.jpg

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Ladebetriebsart 2 − AC, einphasig, SchuKo-Stecker (Netzanschluss), meist max. zulässige 16 A (3,7 kW) − Pilotfunktion, Fehlerstrom-Schutzeinrichtung im Ladekabel (ICCB) − Ladegerät befindet sich im Fahrzeug






http://www.mennekes.de/Graphics/XPic0/00036362_0.pdf

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Ladebetriebsart 3 − AC, dreiphasig, Typ-2-Stecker (Netzanschluss), meist max. zulässige 32 A (22,2 kW) − Pilotfunktion, Fehlerstrom-Schutzeinrichtung Teil der Ladeinfrastruktur (EVSE) − Verriegelung notwendig (verhindert Abziehen des Ladekabels während des Ladens) − Ladegerät befindet sich im Fahrzeug






http://www.mennekes.de/html2pdf/do_print_neu.php

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Ladebetriebsart 4 − DC, bis 200 kW − Pilotfunktion, digitale Kommunikation, Fehlerstromschutzeinrichtung, Ladekabel Teil

der Ladeinfrastruktur − Verriegelung notwendig (verhindert Abziehen des Ladekabels während des Ladens) − Ladegerät befindet sich in der DC-Ladestation (fahrzeugextern)






http://www.elektromobilitaet-verbindet.de/img/13_K01_EV_combo_2_rdax_237x600.jpg

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Standardladekurve (Li-Ionen-Batterie)






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Ladezeiten

4 h 39 min

1 h 33 min

Ladezeit

Leistungsübertragung

einphasig (16 A): z.B. Grundversionen des VW e-Golf, e-Smart, BMW i3

dreiphasig (16 A)

Batteriekapazität: 17,1 kWh






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PP-Kontakt

− Kabelidentifikation, Kabelanschluss

CP-Kontakt

− Kommunikationsschnittstelle

PE

L1

L2

L3

N

Kontakte des Typ-2-Ladesteckers (AC)

http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.mennekes.de%2Fuploads%2Fmedia%2FMENNEKES-Stecker_Typ2.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.mennekes.de%2Faktuell_details.html%3Ftx_ttnews%255Btt_news%255D%3D922%26cHash%3D90c28bcd144f87c0d54cc5cb3b6a527e&h=1377&w=1391&tbnid=G85ZEhN67Pa8UM%3A&zoom=1&docid=J8ObjnOBbBKi3M&ei=AEmSVdKjGMH9UPiKi5gK&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=155&page=1&start=0&ndsp=44&ved=0CCIQrQMwAA

http://www.diariomotor.com/tecmovia/imagenes/2013/02/Volkswagen-e-Golf-200213-1280-03-1024x682.jpg






Ladeschnittstellen: − Typ 1 , Combo 1 (Europa, Japan, USA) − Typ 2 , Combo 2 (Europa, Japan, USA) − CHAdeMO (Europa, Japan) − GB/T (China)

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Kontakte des Combo-2-Ladesteckers (DC)

CP-Kontakt

− Kommunikationsschnittstelle

PE

DC+ DC- http://www.google.de/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Fadacemobility.files.wordpress.com%2F2012%2F05%2Feinheitsstecker.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fadacemobility.wordpress.com%2F2012%2F05%2F07%2Fschnelles-laden-einigung-auf-einheitsstecker%2F&h=1773&w=2363&tbnid=gX0-hC0SZIX3bM%3A&zoom=1&docid=LKg9rJV3maEc0M&ei=SkeSVe3NE4f9UsnLj8gG&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=480&page=1&start=0&ndsp=40&ved=0CDkQrQMwCA

http://www.diariomotor.com/tecmovia/imagenes/2013/02/Volkswagen-e-Golf-200213-1280-03-1024x682.jpg


Ladeschnittstellen: − Typ 1 , Combo 1 (Europa, Japan, USA) − Typ 2 , Combo 2 (Europa, Japan, USA) − CHAdeMO (Europa, Japan) − GB/T (China)


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



PP-Kontakt

− Kabelidentifikation, Kabelanschluss

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techn. Anforderungen an öffentliche Ladeinfrastruktur






Standardisierung der Ladeinfrastruktur: − Stecker: IEC 62196-1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 − Kommunikation: IEC 61851-1, IEC 15118 − Topologie: IEC 61851-21, IEC 61851-22, IEC 61851-23, IEC 61851-24, IEC 61439-5 − Sicherheit: IEC 61140, IEC 62040, IEC 60529, IEC, 60346-7-722, ISO 6469-3

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AC-Wallbox: 750 – 1.700 € typisch: − bis 22 kW − Ladebetriebsart 3 − privat, halb-öffentlich, öffentlich

http://www.e-handwerk.org/fileadmin/_processed_/csm_E-Mobilitaet_Ladestation_fc8992d111.jpg

Ladeinfrastruktur-Varianten − abhängig vom Einsatzbereich: privat, halb-öffentlich, öffentlich

− Anforderungen: langsam oder schnell laden

herkömmliche Gebäudeinstallation oder öffentliches Netz typisch: − 3,7 kW − Ladebetriebsart 1 und 2 − privat, halb-öffentlich, öffentlich

http://cdn.ecomento.tv/wp-content/uploads/2015/05/elektroauto-latenen-laden-ubitricity-740x425.jpg http://www.twikeklub.ch/images/1_050408_TWIKE_Park_03_480.jpg


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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http://images.zeit.de/auto/2010-09/rwe-ladestation-elektroauto/rwe-ladestation-elektroauto-540x304.jpg

http://www.merkur.de/bilder/2011/08/25/1376611/1611453581-6723452_534-32NG.jpg

AC-Ladesäule: 4.500 – 10.000 € typisch: − bis 22 kW − Ladebetriebsart 3 − halb-öffentlich, öffentlich

DC-Ladestation: ab 15.000 € typisch: − bis 200 kW − Ladebetriebsart 4 − halb-öffentlich, öffentlich

Ladeinfrastruktur-Varianten − abhängig vom Einsatzbereich: privat, halb-öffentlich, öffentlich

− Anforderungen: langsam oder schnell laden


2. Laden von

Elektro-fahrzeugen



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Elektrofahrzeuge als mobile Speicher (Vehicle-to-Grid-Konzept) − bei Bedarf kann Energie zu- oder abgeführt werden

− Einsatz z.B. als Pufferspeicher für das Eigenheim oder das Energieversorgungsnetz

− PKW werden die meiste Zeit geparkt

− während des Parkens Nutzung der Batterie als Speicher

− wirtschaftliche Geschäftsmodelle fehlen noch






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Elektrofahrzeuge als mobile Speicher (Vehicle-to-Grid-Konzept) − bei Bedarf kann Energie zu- oder abgeführt werden

− Einsatz z.B. als Pufferspeicher für das Eigenheim oder das Energieversorgungsnetz

− PKW werden die meiste Zeit geparkt

− während des Parkens Nutzung der Batterie als Speicher

− wirtschaftliche Geschäftsmodelle fehlen noch






Voraussetzungen (Ladebetriebsart 3): • digitale höhere Kommunikation zwischen Ladeinfrastruktur

(Netzseite) und Elektrofahrzeug

• bidirektionales Ladegerät im Elektrofahrzeug

• intelligente fahrzeugexterne Steuerung

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zulässige Ladeströme in Abhängigkeit des Tastverhältnisses

Laden nicht gestattet

reserviert für digitale Kommunikation

− Mindestleistung (3~): 4,14 kW − starre Leistungsvorgaben in 0,6-A- bzw. 2,5-A-Schritten

genormte Kommunikation (DIN EN 61851-1) − obligatorischer Informationsaustausch

− Ladestromvorgabe der Ladesäule durch PWM-Signal auf den CP-Leiter des Ladekabels






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digitale Kommunikation (proprietär) − erweiterter Informationsaustausch

− Modulierung von Datensignalen via LIN-Bus auf den CP-Leiter des Ladekabels

− Nutzereingabe durch Fahrzeug-Display oder Smartphone-App

Ladesäule − Ladeleistung − Entladeleistung − … Nutzer

− Reservereichweite − Abfahrtszeit − Soll-Reichweite

Elektrofahrzeug − SoC − max. Ladeleistung − max. Entladeleistung − …

17:00 Uhr möchte ich aber wieder nach Hause fahren!






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bidirektionales Ladegerät im Elektrofahrzeug verbaut

mit freundlicher Genehmigung der German E-Cars Research & Development GmbH






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intelligente fahrzeugexterne Steuerung

Ladesäule

Elektrofahrzeug

Energiemanagementsystem

Kommunikationsverbindung






Nutzer

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Nutzung als steuerbarer Speicher

− vollständige Informationen über die Nutzerwünsche und das Ladeverhalten der teilnehmenden Fahrzeuge notwendig






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4. Energiemanagementsystem in SCR Problematik Residuallasten





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Microgrid

Ladesäulenpark Aggregator

P2G

P2H

Smart-Grid

P2V V2G

4. Energiemanagementsystem in SCR Aggregator und zentrale übergeordnete Prozesssteuerung





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4. Energiemanagementsystem in SCR Aggregator und zentrale übergeordnete Prozesssteuerung





− Überwachung, Steuerung, Regelung − Summenfahrplanvorgabe für den

Ladesäulenpark − Archivierung der Messdaten

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Praxisarbeit im Projekt SCR:

https://www.youtube.com/watch?v=u2p5FSyGBZ4

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Kontakt

Dipl.-Ing. Erik Blasius Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik (EVH)

Lehrgebäude 3E, Raum 1.18 Siemens-Halske-Ring 13

03046 Cottbus Germany

Telefon: +49 (0) 355 69 5578

Fax: +49 (0) 355 69 4039 E-Mail: [email protected]

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