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elweb Batterie
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Erster Beitrag:
vor 1 Jahr, 1 Monat
Letzter Beitrag:
vor 1 Jahr
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Bernd Schlueter, Hotzi-47, laase, el El

Potentialfrei laden, Was heißt das?

Startbeitrag von Bernd Schlueter am 05.07.2016 07:42

Mir wird angst und bange, wenn ich von den hohen Ladespannungen und-Strömen lese. Berührungsschutz ist dabei unerlässlich und der funktioniert wirklich sicher, nur, wenn auf der Lader- und Fahrzeugseite eine perfekte Trennung von Erde und Karosse vorliegt. Im Fahrzeug ist das schonmal durch eine mehr oder weniger gute Isolierung aller spannungsführenden Teile sichergestellt, die ständig überwacht werden muss.
Alle Lader enthalten einen Wandler, der den Strom elektromagnetisch umsetzt.Hier bietet sich eine vollkommen erdpotentialfreie Trennung der Ladeleitungen an, die durch einen hochempfindlichen Fehlerstromschutz ergänzt werden kann.
Eine Gefahrenquelle stellen noch schmorende, abgenutzte Kontakte dar oder beschädigte Leitungen.

Da wir in den Ladern eh eine magnetische Umsetzung haben, wäre zu überlegen, ob man die damit verbundene Potentialtrennung nicht ganz zwischen Ladestation und Fahrzeug verlegt, indem man das magnetische Kernmaterial auftrennt und zur Hälfte ins Fahrzeug und zur anderen Hälfte in den Lader verlegt. So könnte jedes Fahrzeug selbst bestimmen, wie die Sekundärseite aussieht und die passenden Ladespannungen und -Ströme entnehmen. Völlig unabhängig vom Lader.
So wäre vor allem eine weltweite Normierung möglich, die nur die Abmessung des weichmagnetischen Kernmaterials, die Frequenz und die Magnetisierung betrifft.
Weitere elektrische Verbindungen würden ausgeschlossen, der Datenaustausch würde auch induktiv erfolgen.

Beim GM Volt war eine per Kabel angeschlossene Spule vorgesehen, die ihre Aufnahme in der Front fand. Kontaktlos war diese Verbindung, wenn auch nicht perfekt für alle zukünftigen Fälle.
Da stelle ich mir eher ein größeres magnetisches Kopplungssystem vor, das selbstreinigend, unter dem Fahrzeug sitzt und ruhig eine Fläche von einem Quadratmeter besitzen kann, um Feldstärken zu begrenzen und Störungsfreiheit zu gewähren. Die magnetischen Hälften in möglichst engem Kontakt. Megawattleistungen dürften dann kein Hindernis darstellen, genau, wie sich auch ein kleines Fahrzeug damit laden ließe. Natürlich ließe sich solch eine Sekundärseite auf dem Dach anbringen, wenn es hoch genug sitzt, wie bei LKWs und bei Bussen.
Der Stecker und die gegenseitige Abschottung der Vetriebssysteme sind heute die Haupthindernisse beim Laden. Diese müssen überwunden werden. Der magnetische Weg ist dabei, das ist meine persönliche Meinung, der einzig richtige. Im Asphalt verlegte Spulen und untergeschobene Gummimatten, die funktionieren zwar, stellen aber noch keine endgültige Lösung dar. Da sollte schon etwas mehr Aufwand getrieben werden. Direkte magnetische Kopplung macht auch die für das induktive Laden sonst erforderlichen Resonanzkreise mit ihrer überhöhten Feldstärke überflüssig. Auch können Überhitzungen infolge von Schäden schnell bemerkt werden.

Antworten:

oder so eine Art Schwimmreifen, den man über einen Poller wirft? El. Zahnbürste in groß?

von el El - am 05.07.2016 08:10
Hallo Bernd,
Du meinst den GM EV1, der hatte seinerzeit ein "paddle", das in den Wagen an entsprechender Stelle eingesteckt wurde. War ein HF-Trafo, Primärteil war das paddle, Sekundärteil war im Wagen.
Geniale Idee, der Zeit und Entwicklung weit voraus. Schade, dass das nicht konsequent weitergemacht wurde. Es gab Home-Ladestationen und öffentliche Ladestationen damit. Die hatten seinerzeit damit geworben, dass auch bei strömendem Regen gefahrlos das Paddle zum Laden in den Wagen eingesteckt werden konnte. Weiss ich auch aus eigener Erfahrung, denn ich war 1999 bei der Tour de Sol USA dabei und hab den Wagen und die paddle noch gesehen (und seinerzeit einen Herrn Ovshinsky kennengelernt ...). Mehr über den EV1 und die Akkus bei wikipedia

Hier ein schönes Video auf youtube über kleine E-Mobile und ausführlich über den EV-1 und die Technik im Detail.

Der von Dir erwähnte GM Volt kommt gerade jetzt erst auf dem Markt ....

Die Idee, den Trafo zu trennen mit nur dem Empfangsteil im Wagen ist also nicht so neu. Beim induktiven Laden ist es ja ähnlich, auch Sendeteil draussen und Empfangsteil innen. Man könnte doch alle "Weltlader" so bauen, mit standardisiertem Empfangsteil am Wagen. Nur die Sendeteile sind dann je nach Land etwas anders, nehmen in den USA also 60 Hz und 240V 40A, in Europa Drehstrom u.s.w.... je nach Verfügbarkeit.
Die Übertragerspulen werden dann mit 85 kHz oder ähnlich betrieben. Das scheint eine übliche Frequenz zu sein, viel Geräte arbeiten damit. 3,7 kW Übertragungsleistung ist wenig, besser wären 11 oder 22 kW. So eine einfache und möglichst weltweit standardisierte Ladeschnittstelle würde die Umstellung auf elektrische Automobilität sicher enorm beschleunigen. Oder man holt die mittlerweile rund 20 Jahre alte EV1 Ladetechnik wieder aus dem Archiv und baut sie wieder. Wäre nicht die dümmste Idee.

Wobei wir wieder bei dem Thema "Weltlader" wären.

Gruss, Roland

von Hotzi-47 - am 05.07.2016 08:42
Ich berechne mal die magnetischen Verluste solch eines einsteckbaren Transformators und nehme dafür das neue N95 - Material.
Dabei gehe ich von 1dm² Fläche aus bei 10kg Masse im Fahrzeug. Dann habe ich bei 85 kHz Frequenz und 0,2 T Induktionsdichte eine induzierte Spannung von 680 Volt pro Windung bei einem Kernverlust von 300 Watt pro Liter Ferrit, was alles noch gut händelbar, auch in einem PKW ist. Nehmen wir Litze mit 10 Windungen und 1000 Ampere, wäre das eine übertragene Leistung von 6,8 Megawatt, was für wirklich alle, auch unmöglichen Fälle ausreichend wäre. Sprich, obwohl recht handlich. habe ich doch etwas hoch in die Leistungskiste ggeriffen und kann entsprechend kleiner bauen.
Sprich, von dieser Art des Induktionsladen sollten wir alle sprechen. Geben wir uns mal mit 68 kW Ladeleistung zufrieden, dann wären das bei 0,1 T, 4 Windungen sekundär und 20cm² Kernquerschnitt 136 Volt bei 500 Ampere und ca 150 W Ferritverlust in den 2kg Ferritmasse.

Dürfte für viele Zwecke ausreichend sein.
Ich bin begeistert.


Wer Bedenken hat bezüglich der Dicke des Kabels: Das muss in sehr feine Litzen, voneinander isoliert, aufgeteilt sein, ist allso extrem flexibel und haltbar, damit dünner und leichter.
Ein Gleichstromkabel dürfte dicker und schwerer sein. Das Dielekrikum dürfte kein Problem sein.

Ja GM-Fritzen wussten schon, was sie tun bei ihrem EV1.

Gegen den Schwimmreifen hätte ich was. Da tritt das Magnetfeld zu sehr in den Raum aus und erschreckt meine esoterische Freundin. Wenn ich Ihr allerdings nichts sage, merkt sie das gar nicht.

Das ist das Produkt von Epcos

von Bernd Schlueter - am 05.07.2016 11:49

Leistung im Überfluss und sehr viel mehr Sicherheit

Ich bin selbst erstaunt, welche Leistung man bei 85kHz ohne nennenswerte Verluste übertragen kann, Will man ein Cityel mit 3 kW laden, wird man natürlich ein abgemagertes Modell wählen, mit höchsten 20 Watt Verlusten. 3 kW Verlust dürften auf der Straße nicht erforderlich sein, denn wer benötigt schon 6,8 Megawatt Ladeleistung?

Der Aufwand, den man treiben muss, wenn die Induktionswindung in ca 30 cm Entfernung von der Resonanzspule angeordnet wird, ist ganz entschieden höher und kann nicht vergleichsweise solch hohe Leistungen übertragen. Das Ferrit hat Verluste, die auf engem Raum eine aktive Kühlung erforderlich machen, aber das ist bei der Kompaktheit des Induktionstrafos kein Problem und wegen Magnetfeldern, die in der Umgebung stören könnten, braucht man sich keine Gedanken machen. Nur bei sehr hohen Leistungen wird man auch das Koaxialkabel mit Öl kühlen müssen, um auch hier die Abmessungen klein zu halten.

Um abzuschätzen, welche Leistung bei gleicher Größe eines Transformators übertragen werden kann, kann man mit 50 Hz und Elektroblech vergleichen. Dabei gehen Magnetfeldstärke und Frequenz im Quadrat ein:

85.000² : 50² macht ungefähr 3 Millionen. Statt 1,5 Tesla für die Induktion von Eisen beträgt diese bei Ferrit nur 0,2 T bei dieser Frequenz, also erniedrigt sich der Wert auf ca 1/50. Also beträgt die Leistung eines gleich großen 85kHz-Trafos im Vergleich zu dem bei 50Hz das "nur" ca 60.000 fache. Nur wegen der Kompaktheit muss dann bei hoher Leistung gekühlt werden, was aber kein hoher Aufwand ist.
Nicht unerwähnt bleiben sollte auch die Tatsache, dass bei Unfällen die hohe Frequenz nicht in den Körper eindringt, sondern nur oberflächliche Verbrennungen hervorruft, die Reaktionsfähigkeit bleibt voll erhalten.
Das gilt für alle Induktionsverfahren ausreichend hoher Frequenz. Nur die Nerven, die die Temperatur registrieren, werden betroffen, die Muskeln können weiter willkürlich bewegt werden.
Auch daran sollte man denken.

Die Kosten einer Halbleiterbrücke liegen bei wenigen Cent pro kW Leistung, Ferrit liegt bei ca 20 Euro pro kg, Kupferlitze bei ca 10 Euro /kg. Also Erdnüsse im Vergleich zu den Preisen unserer heutigen Ladegeräte und -Stecker. Dazu verschleißfrei und ganz ungleich flexibler in Bezug auf Ladespannung- und Strom. Vom Cityel bis zum batteriebetriebnen ICE-Zug lässt sich alles am gleichen Lader laden. Dazu wird lediglich die Spannung variiert und die Größe des im Fahrzeug verbauten Sekundärteils mit seinem Ferritkern
entsprechend verkleinert.
Aktive Kühlung ist unterhalb 50 kW nicht erforderlich. Eingespeist werden können beliebige Stromarten, bei hohen Leistungen natürlich bevorzugt Mittelspannung.

Starkregen? Kein Problem. Selbst unter Meerwasser könnte man laden und die steckerlosen Kabel berühren. Keinerlei Hochfrequenz ist an der Oberfläche von Koaxialkabeln zu registrieren.

von Bernd Schlueter - am 06.07.2016 04:48

Re: Leistung im Überfluss und sehr viel mehr Sicherheit

Zitat
Bernd Schlueter
... denn wer benötigt schon 6,8 Megawatt Ladeleistung?


Cit-EL? Schneller Laden als andere Benzin tanken? Na ja, Spass beiseite, wo gibts die Leistung?
Und Lade-Hardware dann auf dem Anhänger? Und welche Akkus nehmen so hohe Ströme? Li-Titanat? Noch recht teuer, so um die 1000 Euro pro kWh beim Sven. Dafür machen sie echt viele Zyklen mit. Rechnerisch bekomme ich sie mit 2 Vollzyklen pro Tag in diesem (meinem) Leben nicht mehr kaputt. Dafür doch eine ganz gute Investition.

Die Frage ist vielmehr: Wer stellt diese Ladeleistung zur Verfügung. Und per Stecker wirds schwierig, da braucht man einen Gabelstapler für die Steckvorrichtung und das Kabel. Wie z.B. irgendwo in Norddeutschland in einem Hafen mit der Stromtankstelle mit der größten mir bekannten Leistung per Einzelstecker: rund 250 kW Drehstrom. Und tatsächlich, Stecker plus Kabel kommt per Gabelstapler.

Eine große Niederspannungsstation habe ich im vorigen Jahr am SVG Autohof Kirchheim gesehen: 1,2 MW nur für die rund 24 Parkplätze mit Ladestationen. War in einem größeren Schaltschrank am Rande des Parkplatzes, und mit echt dicken Kupferschienen drin. Die Leistung reicht für 8 Triple-Charger mit je dreimal 50 kW oder so.

Zum Paddle und geteiltem Trafo oder Induktionsladen: GM hats im EV1 vor rund 20 Jahren schon gemacht. Und machen ist die Forderung, nicht Reden. Für mich bleibt die Frage: Wer kanns, wer machts? Sicher nicht wir Amateure und Bastler. Ist was für die Industrie. Wo läuft was? Beim Induktionsladen sind ja einige dran, wer weiss, wo es erhältliche und bezahlbare Lösungen gibt?

Gruss, Roland

von Hotzi-47 - am 06.07.2016 09:31

Re: Leistung im Überfluss "The Little Box Challenge"

Zitat
Bernd Schlueter
Ich bin selbst erstaunt, welche Leistung man bei 85kHz ohne nennenswerte Verluste übertragen kann,


Ja ja, selbst google wollte wissen, wie klein man Wandler bauen kann und hat vor einiger Zeit einen Wettbewerb ausgeschrieben für einen 2kW Wandler:

"The challenge was to build a power inverter that was about 10 times smaller than the state-of-the-art at the time. It had to have an efficiency greater than 95 percent and handle loads of 2 kVA. It also had to fit in a metal enclosure of no more than 40 cubic inches (the eponymous "little box") and withstand 100 hours of testing.[4]

The goals of the competition were lower cost solar photovoltaic power, more efficient uninterruptible power supplies, affordable microgrids, and the ability to use an electric vehicle's battery as backup power during a power outage. Google also hoped a smaller inverter could make its data centers run more efficiently."

Ich hab im Mai eine oder die Gewinner-"little Box" auf einer Messe in Nürnberg gesehen, erschien mir von der Größe so wie eine größere Zigarettenpackung:


Könnt im Netz mal suchen mit "little box challenge". Interessant, was da so gemacht wird.

Und schon beeindruckend, was moderne Elektronik heute kann. Die Fraunhofer Leute in Erlangen entwickeln praktische Geräte für die Industrie, ich schätze mal auch für die üblichen Verdächtigen wie Audi, BMW und Porsche. Richtig kleine Elektroniken sowohl für die Motorsteuerung als auch für die Netzanbindung. Nur fürs induktive Laden habe ich noch nix entdecken können.

Gruss, Roland

von Hotzi-47 - am 06.07.2016 15:06
Ich bin skeptisch, daß nur der Wechsel des Ladesystems von kabel- auf magnetgebunden automatisch zu einer "heilen EMobilitätswelt" führt. Es würden meiner Meinung nach doch nur wieder alle, die sich Erfolg versprechen, ihr eigenes Süppchen kochen, eigene Lobbyisten nach Brüssel schicken usw.
Einen solchen Magnetkoppler kann man LxT = 200x200 ausführen oder aber auch 180x180. Der nächste beschreibt Vorteile mit 225x210. Der nächste baut nur 80 statt bisher 100 hoch. Danach kommt Würth und bauts womöglich oval weils stylischer aussieht und punktet damit.
Ganz ehrlich: warum soll das auf einmal anders sein als seinerzeit beim CEE-Stecker und Mennekes?
Und außerdem: sollen die ganzen EBikes dann auch mit Magnetkopplern geladen werden? Fände ich wie mit "Kanonen auf Spatzen" ....
Viele Grüße, Lars

von laase - am 02.08.2016 22:18
Irgendwo enthält jedes Ladegerät diesen magnetischen Koppler. nennt sich Transformator. Die Kopplung geschieht magnetisch über den Eisenkern. Das funktioniert auch über einen Luftspalt und man kann dann Schnur und Stecker sparen. Ein wirklicher Unterschied besteht da nicht. Die Halbleiter wurden erst billig, dann auch leistungsfähiger. Der Rest blieb gleich. Mit den Halbleitern erhöht sich die Leistungsfähigkeit und die Kleinheit der Ladegeräte.
Ich persönlich hätte sie gerne nicht im Fahrzeug, sondern in den Tanksäulen. Nur ein kleinerer Notlader im Fahrzeug.
Wenn man während der Fahrt induktiv laden könnte, hätte das gewisse Vorteile. Ist aber Zukunftsmusik. Musik ist nicht unbedingt dazu da, dass man sich die Ohren zuhält.
Eine Oberleitung? Wegen der Gummiräder muss die zweifach sein und bei PKWs würden viele spielende Kinder zu Tode kommen, wenn sie sie berühren. Deshalb nur die immer wieder auftauchende Idee der magnetischen Übertragung, möglichst ohne Unfälle.
Fast täglich sterben Jugendliche, die auf Eisenbahnwaggons herumklettern.
Mir persönlich sind schon 150 Volt zuviel. Kann aber damit leben.

von Bernd Schlueter - am 06.08.2016 22:30
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