Effiziente Nutzung von Solarenergie im Automobil

Von Edmund Echter, ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH, München

Mobile elektrische Energie ist eine knappe Ressource. Daher sind Lösungen, die neue Energiequellen erschließen, willkommen. Unter ökologischen Gesichtspunkten besonders erwünscht ist die Nutzung von Sonnenenergie. Bisher sind die Ansätze der OEM für die effektive Verwertung von mobiler solarer Energie an mangelhaften Systemansätzen und unzureichenden Integrationskonzepten gescheitert.

Vor diesem Hintergrund hat die ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH ihr Technologieportfolio zum elektrischen Energiemanagement um eine neue Lösung zur effektiven Nutzung von umweltfreundlicher Solarenergie erweitert:

Der Solar Multiplex Charger (SMC) dient als zentrale Schaltstelle für die „intelligente“ Nutzung von Solarstrom im Fahrzeug und ermöglicht zudem eine optimierte Batterieladestrategie – das von der ESG zum Patent angemeldete „Active Battery Balancing“ (ABB). Damit wird die nahezu verlustfreie Verwertung von mobiler solarer Energie erstmalig als technische Lösung umgesetzt.

Effiziente Nutzung von Solarenergie

Die beiden Bausteine, SMC und ABB, ergänzen das übergreifende ESG-Energiemanagementkonzept im Sinne von Zusatzfunktionen zum ESG Electric Energy Manager (E2M). Die so integrierte Lösung erlaubt erstmals die wirklich effiziente Nutzung von Solarenergie im Automobil. Der Electric Energy Manager sorgt für die Steuerung der elektrischen Energieflüsse im Fahrzeug und sichert mit der vorgenommen Erweiterung nun auch die optimierte Verwendung des verfügbaren Solarstroms.

Das Hauptproblem bei der Nutzung von mobiler Solarenergie war bisher immer der schlechte Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Da es dabei nur um vergleichsweise kleine Ströme geht, ist es umso wichtiger, die gewonnene Energie möglichst ohne Verluste in das Gesamtsystem Automobil einzuspeisen. Hierfür hat die ESG den SMC entwickelt. Basierend auf einer speziellen Verschaltung der Photozellen erlaubt der SMC die fast verlustfreie Einspeisung der solaren Energieströme in das Energie-Bordnetz. Dabei können sowohl das Niederspannungs- als auch das Hochspannungs-Bordnetz direkt angesprochen werden. Wesentlicher Vorteil dabei ist, dass der SMC ohne den klassischen Weg über den Umrichter auskommt und so sehr hohe Wirkungsgrade in der Solarstromnutzung ermöglicht.

In Verbindung mit dem SMC wird erstmals auch das neuartige Batterieladekonzept Active Battery Balancing technisch realisiert. Dabei werden Ladungsunterschiede in den Partitionen des Hochspannungsspeichers aktiv ausgeglichen und so der Ladezustand der Batterie permanent optimiert und ihre effektive Kapazität erhöht. Die mittels der Photovoltaik-Anlage generierte Energie wird direkt in die einzeln ansteuerbaren schwächeren Zellen geleitet und dadurch die Gesamtladung im Hochspannungs-Speicher erhöht. Dadurch werden die sonst aufgrund innerer Ausgleichströme entstehenden Verluste weitgehend vermieden. Die Kapazität der Batterie ist dadurch höher, die Reichweite wird gesichert, die Lebensdauer des Speichers wird insgesamt erhöht. Dieses Verfahren ist derzeit einzigartig auf dem Markt.

Hoher Wirkungsgrad und integrierte Lösung

SMC und ABB als Bausteine des Electric Energy Managers gewährleisten zusammen die optimierte und nahezu verlustfreie Verwendung von mobiler solarer Energie. Der Fortschritt liegt in der integrierten Lösung und dem hohen Systemwirkungsgrad. Herkömmliche Systeme zur Verwendung der solaren Energie haben aufgrund ihres schlechten Wirkungsgrades oftmals gar eine negative Energiebilanz.

Autarke Lösungen bieten den Vorteil, dass sie als paralleles System in bestehende Bordnetze integriert werden können. Somit haben die OEM die Möglichkeit, diese Anwendung in bereits laufenden Projekten zu erproben. Für die Serienanwendung kann dieses Verfahren in das Energiemanagement eingebunden werden, und die Nachteile von autarken Lösungen werden auf diese Weise elegant ausgeglichen. Eine Kombination des SMC mit dem E2M bietet sich daher an und wird den OEM als gesamthafte Lösung in Zukunft viele Vorteile bringen.

Die Erzielung einer positiven Energiebilanz setzt jederzeit die Kenntnis der situativen Systemanforderungen im Gesamtkontext der Energiebetriebsstrategie voraus. Deshalb ist die Integration in den E2M ein wichtiger Faktor. Aufgrund der Verbindung von SMC und E2M kann die Ladestrategie während der Fahrt der jeweiligen Anforderung und Verbrauchssituation angepasst werden. Insgesamt können je nach Auslegung und Leistungsdefinition der Solaranlage an einem Fahrzeug sehr hohe Wirkungsgrade bei der Nutzung der umgewandelten Energie erzielt werden.

Neben der Anwendung für das Active Battery Balancing, das heißt für die Speicherung der Energie im Hochspannungsbereich kann der SMC-Regler situativ auch die Energie in den Niederspannungsbereich zuführen und Verbraucher, wie beispielsweise eine Sitzheizung, die Innenraumbelüftung oder ein mobiles Navigationsgerät versorgen.

Die Active Battery Balancing Lösung wurde bereits in ein eigenes Prototypenfahrzeug „Hot-C“ integriert, an dem beispielsweise neue Solarzellvarianten, deren Anwendungsmöglichkeiten und verbesserte Wirkungsgrade untersucht werden.