On Board Charger (OBC) in Electric Vehicles

Was ist ein On-Board-Ladegerät (OBC)?

Ein On-Board-Ladegerät (OBC) ist die Komponente eines Elektrofahrzeugs, die Strom aus dem Netz in eine Form umwandelt, die von der Batterie genutzt werden kann. Vereinfacht gesagt fungiert es als Schnittstelle zwischen Ladekabel und Batterie.

Die meisten Haushalte und öffentlichen Ladestationen liefern Wechselstrom (AC), während EV-Batterien Gleichstrom (DC) speichern. Die Hauptaufgabe des OBC besteht darin, AC-Leistung in geregelte DC-Leistung umzuwandeln und diese sicher in die Batterie einzuspeisen.

Ohne ein OBC wäre es nicht möglich, ein Elektrofahrzeug an eine herkömmliche Steckdose oder ein Level-2-Ladegerät anzuschließen, da die Batterie nicht geladen werden könnte.

Wie funktioniert ein On-Board-Ladegerät?

Folgende Prozesse laufen im Hintergrund ab, wenn ein Elektrofahrzeug geladen wird:

1. AC-Leistung gelangt vom Stromnetz oder der Ladestation in das Fahrzeug.
2. Die On-Board-Ladegerät wandelt diese AC-Leistung mithilfe interner Leistungselektronik in DC-Leistung um.
3. Das OBC regelt anschließend Spannung und Strom für die Batterie, um ein effizientes und sicheres Laden zu gewährleisten.
4. Die Batteriemanagementsystem (BMS) arbeitet mit dem OBC zusammen, um den Batteriezustand zu überwachen und den Ladeprozess zu optimieren.

Die meisten OBCs verwenden eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC), um Energie effizient aus dem Netz zu beziehen und Verluste zu minimieren. Außerdem wechseln sie zwischen Konstantstrom- (CC) und Konstantspannungsmodus (CV) wenn sich die Batterie füllt – zunächst für schnelles Laden und anschließend mit reduzierter Leistung zum Schutz der Batterie nahe der Volladung.

Schlüsselkomponenten innerhalb eines OBC

• AC/DC-Wandler: Verantwortlich für die Umwandlung von AC in DC
• Leistungsfaktorkorrektur (PFC): Gewährleistet netzfreundlichen und effizienten Betrieb
• DC-DC-(LLC)-Wandler: Liefert eine stabile Spannung für die Batterie
• Kommunikationsschnittstellen: Kommunizieren mit BMS und Ladestation zur Sicherheitsüberwachung
• Sicherheits- und Isolationsschaltungen: Verhindern Überladung, Überhitzung und elektrische Fehler

On-Board-Charger-Simulation für Zweiradfahrzeuge

Unsere On-Board-Charger-Simulation für Zweiradfahrzeuge wurde entwickelt, um Effizienz, Leistungswandlung und Regelstrategien von Ladesystemen in elektrischen Zweirädern zu analysieren und zu optimieren. Mit dem Wachstum der Elektromobilität steigt die Nachfrage nach kompakten, leichten und hoch effizienten On-Board-Ladegeräten.

Diese Simulation konzentriert sich auf:

• Effizienzanalyse: Bewertung von AC-DC-Wandlung, Leistungsfaktorkorrektur und thermischem Verhalten
  
• Ladealgorithmen: Unterstützung von CC-, CV- und adaptiven Ladeverfahren für unterschiedliche Batterietechnologien
  
• Leistungsfaktorkorrektur: Sicherstellung der Einhaltung von Netzstandards und Minimierung harmonischer Verzerrungen
  
• Echtzeitvalidierung: Einsatz von HIL/PHIL-Plattformen zur Prüfung unter unterschiedlichen Netz- und Batteriebedingungen vor der Hardwareimplementierung

Zu den Vorteilen gehören schnellere Entwicklungszyklen, reduzierte Prototypenkosten, verbesserte Sicherheit und optimiertes Energiemanagement. Diese Erkenntnisse sind besonders wertvoll für Roller, Motorräder und Last-Mile-Lieferfahrzeuge, die auf integrierte On-Board- Ladetechnologie angewiesen sind..

OBC-Typen und Ladeleistung

On-Board-Ladegeräte verfügen über unterschiedliche Leistungsbereiche, typischerweise zwischen 3,7 kW und 22 kW für Pkw:

• Einphasige OBCs (3,7–7,4 kW): Häufig in Heimladelösungen verwendet
• Dreiphasige OBCs (11–22 kW): In höherwertigen Elektrofahrzeugen verbaut und für schnelleres Laden an öffentlichen Stationen geeignet

Wichtig: Wenn ein Fahrzeug nur über ein 7-kW-OBC verfügt, lädt es auch an einer 22-kW-Ladestation nicht schneller.

OBC vs. DC-Schnellladen

DC Schnellladegeräte umgehen das OBC vollständig und speisen Gleichstrom direkt in die Batterie ein. Dadurch kann die Batterie deutlich schneller geladen werden, allerdings sind diese Systeme teurer und erfordern spezialisierte Infrastruktur.

Die meisten EV-Besitzer nutzen ihr On-Board-Ladegerät für das tägliche Laden zu Hause oder am Arbeitsplatz und greifen nur bei Bedarf auf DC-Schnellladung zurück.

Anwendungen von On-Board-Ladegeräten

On-Board-Ladegeräte (OBCs) sind in zahlreichen Bereichen der Elektromobilitätvon zentraler Bedeutung – weit über klassische Pkw hinaus. Ihre Anpassungsfähigkeit und Effizienz unterstützen unterschiedliche Fahrzeugtypen und Ladeanforderungen:

Elektrische Personenkraftwagen: Ein On-Board-Charger-System im Elektrofahrzeug ermöglicht sicheres und effizientes AC-Laden zu Hause sowie an öffentlichen Ladestationen. Zudem unterstützt es intelligente Funktionen wie zeitabhängige Stromtarife und die Integration erneuerbarer Energien.

Elektrische Zweiräder: Kompakte und leichte Ladegeräte versorgen Elektroroller und Motorräder im urbanen Raum. Sie sind für geringere Leistungen und kleinere Batterien optimiert und gewährleisten gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit.

Kommerzielle EV-Flotten: On-Board-Ladegeräte unterstützen Flottenmanagement und nächtliche Ladezyklen für Lieferfahrzeuge, erhöhen die Langlebigkeit und reduzieren Ausfallzeiten.

Öffentlicher Verkehr: Elektrobusse und elektrische Nutzfahrzeuge nutzen leistungsstärkere OBCs für große Batteriesysteme. Diese kombinieren AC-Laden mit DC-Schnellladen und gewährleisten gleichzeitig Netzkompatibilität.

Batteriewechselsysteme und Mikromobilität: Kleinere OBC-Einheiten in Wechselstationen und E-Bikes ermöglichen schnelles Laden und die Integration in intelligente Energiesysteme.

Vehicle-to-Everything (V2X): Fortschrittliche On-Board-Charger-Lösungen ermöglichen bidirektionales Laden, sodass Elektrofahrzeuge Haushalte versorgen, die Netzstabilität unterstützen und Energie mit anderen Fahrzeugen teilen können.

Vorteile der Simulation

Durch die Simulation der OBC-Leistung vor dem Bau physischer Prototypen können Ingenieure:

• Die Effizienz unter realistischen Netzbedingungen untersuchen
• Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und Ladealgorithmen validieren
• Das thermische Verhalten optimieren und Energieverluste reduzieren
• Sicherheitsmechanismen und die Einhaltung von Netzstandards testen
• Entwicklungszeit und Kosten durch frühzeitige Fehlererkennung reduzieren

Dieser Ansatz ermöglicht einen reibungsloseren Übergang von der Entwicklung zur Implementierung und stellt sicher, dass die finale OBC-Hardware sowohl Leistungs- als auch Sicherheitsanforderungen erfüllt.