Von Ladestationen für Elektrofahrzeuge bis hin zu Solarenergielösungen – Städte werden durch technologische Fortschritte wie Echtzeitsteuerung effizienter. 

17 Mai, 2021
 

In Shanghai wurde im vergangenen Jahr eine schon seit langem diskutierte Theorie getestet: Ist es möglich, dass Elektrofahrzeuge (EVs) dem Stromnetz einer Stadt als flexible Energieressource dienen können?

Fahrer von Elektroautos erhielten Signale von Energieversorgungsunternehmen, wann Sie Ihr Fahrzeug aufladen sollten, um das Überangebot an Strom aus erneuerbaren Energien im Stromnetz zu nutzen, das ansonsten verloren gegangen wäre.1 Die Batterien dieser Elektroautos wurden so zu mobilen Energiespeichern auf Rädern, die überschüssigen Strom wieder in das Stromnetz einspeisen konnten, wenn der Energiebedarf das Angebot übersteigen würde.

Das innovative Pilotprojekt zeigte, dass verschiedene Arten von Ladegeräten, wie private Ladegeräte zuhause, öffentliche Ladesäulen und Batteriewechselstationen alle ihre eigene Rolle zur Unterstützung des Stromnetzes der Stadt spielen können. Im Zuge seines neuen Infrastrukturplans beschloss China daraufhin, die Verfügbarkeit von Fahrzeugladestationen mit Strom aus erneuerbaren Energien zu verbessern – ein kritisches Element seiner Strategie hin zu langfristiger Modernisierung und der Erfüllung von Chinas Umweltzielen. 

Auch andere Städte rund um den Globus arbeiten bereits daran, so schnell wie möglich mehr Energieeffizienz zu erreichen und die Reduzierung schädlicher Emissionen voranzutreiben. Der Schlüssel des Erfolgs zum Erreichen dieser Ziele liegt dabei in Technologielösungen, mit denen Herausforderungen im Bereich Energieeffizienz gelöst werden, und gleichzeitig eine Verbesserung der Leistungsdichte erreicht werden kann. 

Der Fokus liegt auf Verbesserung der Echtzeitsteuerungsfunktionen eines Systems – der Just-in-Time-Verarbeitung, bei der Daten erfasst werden und ein System mit geschlossenem Regelkreis innerhalb einer Billionstel Sekunde aktualisiert wird. Dadurch können effizientere und leistungsfähigere Systeme geschaffen werden und folglich erhebliche Verbesserungen bei der Reduzierung schädlicher Emissionen erreicht werden. Echtzeitsteuerungstechnologie ist der Schlüssel zur Freisetzung des Potenzials der nächsten Innovationswelle im Bereich Energiemanagement.

Matt Watson, Manager C2000™ microcontrollers

In meiner Funktion als Manager der C2000™-Mikrocontroller (MCUs) bei TI konnte ich die steigende Nachfrage nach Echtzeitsteuerungslösungen aus erster Hand beobachten, neben dem Wunsch, mit weniger Energie mehr zu erreichen. Für die Zukunft sehe ich in den folgenden Bereichen den größten Bedarf an Echtzeitsteuerungslösungen für Mobilität und Energieoptimierung:

  • Verbesserung der Reichweite und Leistung von Elektrofahrzeugen. 
  • Ausbau und Verbesserung der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge.
  • Innovative Energiespeicherung mithilfe von Solarenergielösungen. 

Warum ist Echtzeitsteuerung so wichtig

Echtzeitsteuerungstechnik ist keineswegs eine neuartige Technologie. TI führte den für diesen Zweck entwickelten Controller, der aus der digitalen Signalverarbeitung als innovative Lösung entwickelt wurde, schon vor fast 20 Jahren ein. Die Bedeutung dieser Technologie hat jedoch in den letzten Jahren mit dem weltweiten Wachstum des MCU Marktes durch die verbreitete Verwendung der Komponenten in intelligenten, automatisierten Systemen erheblich zugenommen.2 Echtzeitsteuerungssysteme sind Systeme mit einem geschlossenen Regelkreis, die innerhalb eines sehr engen Zeitrahmens Daten sammeln und verarbeiten, und das System aktualisieren. Diese Art von Steuerungslösungen sind sowohl für Leistungsumwandlung, als auch für fortschrittliche Motorsteuerungsanwendungen, wie sie zur Bewegung von Industrierobotern in einer Fabrik verwendet werden, unverzichtbar.

Entwicklungsingenieure stehen vermehrt dem Bedarf nach mehr Effizienz, Präzision und kleinem Formfaktor bei der Entwicklung ihrer Produkte für Motorsteuerung oder Leistungsumwandlung gegenüber. Zur Maximierung und Optimierung der Echtzeitsteuerungsfunktionen müssen die in einem System eingebetteten Bausteine spezielle Eigenschaften zur Verringerung von Latenz aufweisen. Außerdem müssen Sie energieeffizient und kostenwirksam sein. Wenn Ingenieure für Echtzeitsteuerungsfunktionen anstelle eines einzelnen, speziell für Steuerungsanwendungen entwickelten, Mikrocontrollers einen Baustein einsetzen, der nie für Echtzeitsteuerung bestimmt war, kann dies dazu führen, dass sich die Produktentwicklungsarbeit für Ihre Anwendung ungewollt verlängert.

Wenn wir Echtzeitsteuerungstechnik zur Implementierung einiger energiesparender Maßnahmen in Städten einsetzen, zum Beispiel um mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen und verstärkt Sonnenenergie zu nutzen, wird das Potenzial dieser Technologie und ihr enormer Einfluss auf die Bereiche Energiespeicherung und Energiemanagement deutlich.   

Verbesserung der Reichweite und Leistung von Elektrofahrzeugen 

Fast jedes Elektrofahrzeug-Sub-System basiert in irgendeiner Form auf Echtzeitsteuerung. Es gibt viele interessante Innovationen, die Autos effizienter machen und dazu mehr Spaß am Fahren versprechen. Gleichzeitig können derartige Innovationen genutzt werden, um Probleme wie die Sorge um Reichweite oder Ladedauer sowie andere Hindernisse einer breiten Akzeptanz von Elektroautos in der Bevölkerung, zu überwinden.

Neuheiten im Bereich der Leistungselektronik, wie Galliumnitrid (GaN), können zur Bewältigung derartiger Herausforderungen erheblich beitragen, da sie für eine verbesserte Effizienz, höhere Leistungsdichte, Reichweite und Zuverlässigkeit sorgen. Um das volle Potenzial von GaN nutzen zu können, werden jedoch ein Echtzeit-Mikrocontroller, der hohe Schaltfrequenzen erlaubt, zusammen mit einer konfigurierbaren Steuerung zur Minimierung von Leistungsverlusten und Rauschen, benötigt. Der Mikrocontroller sorgt dafür, dass GaN die höchste Leistungseffizienz und Leistungsdichte erreichen kann. 

Darüber hinaus gibt es weitere Fortschritte im Bereich der Echtzeitsteuerung, mit deren Hilfe sich die Verarbeitungsleistung erhöht und die Sensorik- und Ansteuerungsleistung verbessert. Dies führt zu größerer Präzision und Effizienz, und sorgt dafür, dass Fahrzeuge aufgrund von verbesserter Systemintegration erschwinglicher werden.

Ausbau und Verbesserung der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

Der Hype um Elektrofahrzeuge ist groß und Autohersteller investieren stark in den Umbau ihrer Modelle auf Antriebe mit sauberen Energien. Daher ist es an der Zeit, dass auch Städte in eine bessere Ladeinfrastruktur investieren, um der steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen gerecht zu werden.

Die in die Ladestationen eingebaute Technologie muss kosteneffektiv sein und die Ladezeiten verkürzen. Echtzeitsteuerungslösungen sind äußerst wichtig für das Schnellladen von E-Fahrzeugen. Außerdem sorgen Sie dafür, dass der Energieverlust beim Aufladen auf ein Minimum beschränkt bleibt. Gleichzeitig ermöglichen sie, dass das Stromnetz nicht übermäßig belastet wird, da der im Stromnetz als Wechselstrom vorliegende Strom für das Laden von Elektrofahrzeugen vom Ladesystem des E-Fahrzeugs in Gleichstrom umgewandelt wird. Diese Effizienz ermöglicht es Elektroauto-Fahrern, ihre Batterie schnell aufzuladen und schneller weiterfahren zu können. 

Innovative Energiespeicherung mithilfe von Solarenergielösungen 

Das Experiment in Shanghai zeigt nur eine von vielen Möglichkeiten, wie Städte versuchen, erneuerbare Energien als flexible Stromressourcen zu nutzen.

Eine Entwicklung im Bereich der Solar-Wechselrichter-Systemtechnologie zur Nutzung von Batterien als mobile Speicher für Sonnenenergie, gewinnt derzeit immer mehr an Bedeutung. Diese Entwicklung läuft darauf hinaus, dass Sonnenenergie auch dann verfügbar sein soll, wenn die Sonne nicht scheint. In diesen Systemen werden einige der wichtigsten Eigenschaften und Anwendungsgebiete von Echtzeitsteuerungstechnologie kombiniert: Die Stromübertragung von der Solarzelle zum Stromnetz, die Stromübertragung vom Stromnetz auf die Batterie, wo die Energie gespeichert wird, und dann von der Batterie zurück ins Netz. An diesen drei Übertragungspunkten muss der Strom umgewandelt werden und es ist am wahrscheinlichsten, dass Energie verloren geht; es sei denn bei der Entwicklung wird sorgfältig vorgegangen.  Echtzeitsteuerungslösungen bieten die für die Optimierung der Stromausgabe notwendige Genauigkeit und sorgen dabei gleichzeitig für eine Minimierung von Energieverlust bei der bidirektionalen Stromübertragung. So kann in beide Richtungen ein effizienter Fluss von Wechsel- und Gleichstrom innerhalb des Systems gewährleistet werden.

Erneuerbare Energie braucht Echtzeitsteuerung. In einer Welt, in der die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen mit wachsender Dringlichkeit gefordert wird, bilden Echtzeitsteuerungslösungen das Kernstück auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz in Systemen und zu einer umweltfreundlicheren Zukunft.