In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen der Elektromobilität erläutert und Ladestrategien, die bei Elektrofahrzeugen adaptiert werden sollten um eine höhere Ladesicherheit zu garantieren, erörtert, außerdem wird auch beleuchtet, wie Elektromobilität das Stromnetz unsere Städte beeinflussen könnte, falls viele Elektrofahrzeuge gleichzeitig an das Netz angeschlossen würden.
Um das Phänomen des Klimawandels zu stoppen, wurde von der EU die CO2-Verordnung verabschiedet, damit Autohersteller der Europäischen Union ab dem Jahr 2020 dafür sorgen müssen, den CO2-Ausstoß ihrer Neuwagenflotten auf durchschnittlich 95g/km zu reduzieren. Dieser Wert korrespondiert mit einem 4,1 Liter Benzin- oder 3,6 Liter Dieselverbrauch pro
100 km Fahrt. Nach dem KBA (Kraftfahrtbundesamt) lag in Deutschland dieser Durchschnittswert noch bei 141,8 g /km im Jahr 2012. Dass diese Werte noch so hoch liegen bedeutet, dass selbst mit optimierten Verbrennungsmotoren die neuen festgelegten Grenzen nicht zu erreichen sind.
Aus diesem Grund kommt das Konzept der Elektromobilität zum Einsatz, denn Elektrofahrzeuge weisen keinen CO2 Ausstoß auf und sind deshalb eine ideale Option um den mathematischen Durchschnittswert zu senken. Die Elektromobilität ist ein wesentlicher Baustein zur zukünftigen Ausrichtung des Personen- und Güterverkehrs. Die globale Verkehrsleistung steigt nach aller Vorausschau an. Einige Studien sagen sogar einer Verdopplung des weltweiten Fahrzeugbestands bis 2030 vorher. Dies ist eng mit einer Verknappung der fossilen Energiequellen verbunden, namentlich das Erdöl, und dadurch steigende Kraftstoffpreise.
Die Notwendigkeit einer Reform der Verkehrssysteme ist auf ambitionierte Klimaschutzziele zurückzuführen, die durch extensive Studien z.B. vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) oder der International Energy Agency (IEA) unterstrichen wurden. In Deutschland ist bis 2050 eine Senkung der Treibhausgasemission (THG-Emissionen) um 80% gegenüber 1990 zu erreichen. Dies ist im Kontext des Energiekonzepts einer formulierten Zielsetzung der Bundesregierung.
Das Ziel ist, die Endenergienachfrage aus dem Verkehr gegenüber 2005 um 40 % zu reduzieren, mit einer ausschließlichen Optimierung von konventionellen Pkw ist dies nicht zu erreichen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Elektromobilität
2.1 Allgemeine Übersicht des Elektrofahrzeugs
2.2 Elektroauto Typen
2.2.1 Unterschiedliche Typen von Elektroautos
2.2.2 Das reine Elektroauto (BEV)
2.2.3 Range Extender (REEV)
2.2.4 Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV)
2.3 Elektrofahrzeuge im Alltag
2.4 Konstruktion von Elektrofahrzeugen
2.4.1 Bauweise von Elektrofahrzeugen
2.4.2 Grund zur Auswahl eines Elektrofahrzeugs
3 Energiequelle bei der Elektromobilität
3.1 Batterien
3.2 End of life einer Batterie
3.3 Batterie für Elektrofahrzeuge
3.3.1 Lithium-Ionen-Batterie
3.3.2 Integration der Lithium-Batterie in die Elektrofahrzeuge
3.4 Aufbau eines Batteriesystems
3.5 Vorschriften für die Entwicklung alternativer Akku Typen für Elektroautos
3.5.1 Neue Stoffe zur Ersetzung von Kobalt in Autobatterien
3.5.2 Feststoffbatterie
4 Ladekonzepte
4.1 Konduktives Laden
4.2 Induktives Laden
4.3 Batteriewechsel
4.4 Bidirektionale Ladung
4.5 Ladestrategien
4.5.1 Direkte Ladestrategie
4.5.2 Indirekte Ladestrategie
4.5.3 Autonome Ladestrategie
5 Erhaltung der Energie einer Batterie
5.1 Erhaltungsladung
5.2 Voll- und Ausgleichsladung
5.3 Ladeverfahren
5.4 Ladevorgang der Elektrofahrzeuge
5.5 Ladestabilität und Ladesicherheit einer Batterie
5.5.1 Passives Balancing
5.5.2 Aktives Balancing
5.5.3 Single Winding Transformator
5.5.4 Multi Winding Transformator
5.5.5 Multiple Transformator
6 Ladestationen oder Ladesäulen für Elektroautos
6.1 Ladestromtypen (Wechsel oder Gleichstrom)
6.2 Wechselstromladen
6.3 Gleichstromladen
6.4 Ladespannung und Leistung
6.5 Ladekabel für Elektrofahrzeuge
6.5.1 Kabelquerschnitt
6.6 Ladeanschluss Typen
6.7 Lademanagement für Elektrofahrzeuge
6.8 Netzanschluss von Ladeeinrichtungen > 4,6 kVA
7 Netz
7.1 Netzstruktur in Deutschland
7.2 Lastprofile des Netzes
7.3 Netzqualität
7.3.1 Transienten
7.3.2 Oberschwingungen
7.3.3 Zwischenharmonische
7.3.4 Spannungsschwankungen
7.3.5 Spannungseinbrüche
7.3.6 Flicker
7.3.7 Unsymmetrie
7.3.8 Die wichtigsten Normen zur Netzqualität
7.4 Netz Integration eines Elektrofahrzeugs
7.5 Einfluss des Schneller Laden auf das Netz
7.6 Leistungsbelastung
8 Elektrofahrzeuge und Netzstabilität
9 Netzanschluss
10 Normen über Netzintegration der Elektromobilität
10.1 Normen
11 Belastung des Netzes durch Elektromobilität
11.1 Einfluss des Ladens von Elektrofahrzeugen auf das Netz
11.2 Oberschwingungsströme durch E-Mobile
11.3 Oberschwingungsströme im Neutralleiter
11.4 Einfluss der Elektroautos auf die Übertragungsleistung
12 Maßnahmen zur Verbesserung der Netzintegration von Elektromobilität
12.1 Bidirektionale Ladung
12.2 Lokale Spannungsregelung
12.3 Globale Spannungsregelung
13 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Herausforderungen und Potenziale der Netzintegration von Elektrofahrzeugen, wobei ein besonderer Fokus auf Ladestrategien und deren Auswirkungen auf die Stabilität und Qualität von Stromverteilnetzen liegt.
- Grundlagen der Elektromobilität und Fahrzeugtypen
- Batterietechnologien und Batteriemanagementsysteme
- Ladekonzepte und Ladestrategien
- Netzrückwirkungen und Netzstabilität
- Maßnahmen zur verbesserten Netzintegration
Auszug aus dem Buch
2.4.2.1 Vorteile des Elektroantriebs
Die in einem Elektrofahrzeug vorhandenen Elektromotoren sind die Energiewandler von elektrischer zu mechanischer Energie. Die Umwandlung verläuft mit geringem Energieverlust. Die Elektromotoren verfügen über die Kapazität, 90% der erhaltenen elektrischen Energie in mechanische Energie umzuwandeln, während herkömmliche Verbrennungsmotoren nur in einem begrenzten Drehmoment oder Drehzahl maximal 40% der erhaltenen Energie in mechanische Energie umwandeln können. Diese Energieumwandlung von 40% erfolgt ausschließlich, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist. Außerdem ermöglichen Elektromotoren beim Bremsen mittels Elektroinstallationen die Umschaltung zum Generatorbetrieb. Beim Bremsen des Fahrzeuges wird eine Bremsenergie erzeugt, die zur Aufladung der Batterie dient. Wenn die durch Elektromotoren gewonnene Energie zu seiner bereits vorhandenen Energie (Umwandlungskapazität von 90%) hinzusummiert wird, kann der geringere Energiekonsum des Elektrofahrzeugs festgestellt werden. Herkömmliche Motoren verfügen nicht über diese Kapazität der zusätzlichen Energiegewinnung nicht. Darüber hinaus haben Elektromotoren im Vergleich zu den herkömmlichen Motoren einen relativ unkomplizierten Aufbau und eine höhere Nutzungsdauer.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit motiviert die Notwendigkeit der Elektromobilität durch Klimaziele der EU und Bundesregierung sowie die Bedeutung effizienter Batterien.
2 Elektromobilität: Dieses Kapitel erläutert die Historie, die verschiedenen Fahrzeugtypen wie BEV und Plug-in-Hybride sowie deren Konstruktionsmerkmale.
3 Energiequelle bei der Elektromobilität: Es werden Lithium-Ionen-Batterien, deren Aufbau, Integration in das Fahrzeug und das Batteriemanagementsystem (BMS) detailliert behandelt.
4 Ladekonzepte: Hier werden verschiedene Lademethoden, Ladestrategien wie die direkte, indirekte und autonome Ladestrategie sowie bidirektionales Laden erörtert.
5 Erhaltung der Energie einer Batterie: Das Kapitel befasst sich mit Ladeverfahren, Ladestabilität sowie Techniken des aktiven und passiven Zell-Balancings.
6 Ladestationen oder Ladesäulen für Elektroautos: Es werden verschiedene Ladestromtypen, Ladekabel, Ladeanschlüsse und die Anforderungen an Netzanschlüsse größer 4,6 kVA analysiert.
7 Netz: Dieser Abschnitt beschreibt die deutsche Netzstruktur, Lastprofile und die Herausforderungen hinsichtlich der Netzqualität wie Oberschwingungen und Flicker.
8 Elektrofahrzeuge und Netzstabilität: Das Kapitel diskutiert die Rolle von Elektrofahrzeugen bei der Stabilisierung des Stromnetzes durch intelligente Steuerung.
9 Netzanschluss: Hier werden die Rollen der Verteilnetzbetreiber und die technischen Anschlussbedingungen für Ladeinfrastrukturen erläutert.
10 Normen über Netzintegration der Elektromobilität: Eine tabellarische Übersicht relevanter Normen für kabelgebundenes und kabelloses Laden wird bereitgestellt.
11 Belastung des Netzes durch Elektromobilität: Es wird der Einfluss von Ladeprozessen auf Netzlasten, Oberschwingungsströme und die Übertragungsleistung analysiert.
12 Maßnahmen zur Verbesserung der Netzintegration von Elektromobilität: Das Kapitel stellt Methoden wie bidirektionale Ladung, lokale und globale Spannungsregelung vor.
13 Zusammenfassung: Abschließende Betrachtung der Elektromobilität als wirksame Lösung zur Klimaverbesserung und deren Herausforderungen für das Stromnetz.
Schlüsselwörter
Elektromobilität, Lithium-Ionen-Batterie, Ladeinfrastruktur, Netzintegration, Batteriemanagementsystem, Ladestrategien, Oberschwingungen, Netzqualität, bidirektionale Ladung, Netzstabilität, Spannungsregelung, Batterietechnik, Lastprofil, Elektrofahrzeuge, Stromnetz.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Masterarbeit befasst sich mit den technischen und strukturellen Aspekten der Integration von Elektrofahrzeugen in das bestehende elektrische Versorgungsnetz.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zu den Schwerpunkten gehören Batterietechnologien, Ladekonzepte, die Auswirkungen auf die Netzstabilität und die Maßnahmen zur Bewältigung der Netzbelastung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, die Grundlagen der Elektromobilität zu erläutern, Ladestrategien für eine höhere Ladesicherheit zu analysieren und den Einfluss einer hohen Anzahl gleichzeitig ladender Elektroautos auf das Stromnetz zu beleuchten.
Welche wissenschaftliche Methode wird in der Arbeit verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturrecherche, der technischen Analyse von Komponenten (Batterie, BMS, Ladesäulen) und der Untersuchung von Lastprofilen sowie Netzqualitätsnormen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt Batterietechnik, Ladeinfrastruktur, die physikalischen Auswirkungen von Ladeprozessen auf das Netz, wie Oberschwingungen, sowie Strategien zur Netzregelung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Elektromobilität, Netzintegration, Batterietechnik, Ladestrategien, Netzqualität und Netzstabilität.
Welchen Einfluss hat das Schnellladen auf das Stromnetz?
Das Schnellladen führt zu hohen Lastspitzen, die bei ungesteuerter Ausführung zu Netzüberlastungen und einer Verschlechterung der Netzqualität durch Oberschwingungen führen können.
Wie kann eine bidirektionale Ladestrategie das Netz unterstützen?
Durch bidirektionales Laden kann das Elektrofahrzeug als Zwischenspeicher fungieren und überschüssige Energie bei Bedarf zurück in das Netz einspeisen, um Schwankungen auszugleichen.
- Arbeit zitieren
- Martin Bertin Dongmo (Autor:in), 2019, Netzintegration in der Elektromobilität. Ladestrategien und Ladesicherheit für den Elektroverkehr der Zukunft, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/514053
