Elektromobilität Herausforderung Schnellladung

Ladung mit hoher Leistung durchführen.
Ladung mit hoher Leistung durchführen.

Im Rahmen des Artemis-Förderprojektes „Internet of Energy for Electric Mobility“ entsteht eine Ladestation, die direkt auf die Batterie des Fahrzeugs zugreift und in Abstimmung mit dem im Fahrzeug integrierten Batteriemanagementsystem (BMS) die Ladung mit hoher Leistung durchführt.

Eine Reichweite von 150 km pro Ladung ist hinreichend, um den größten Teil der an einem Tag zurückgelegten Strecken zu bewältigen [1]. Trotzdem ist es der gefühlte Mangel an Reichweite, der als größter Nachteil der Elektromobilität empfunden wird. Da größere Akkus in Fahrzeugen mehr Gewicht und höhere Kosten bedeuten, ist eine Verkürzung der für die Ladung des Fahrzeugakkus benötigten Zeit die bevorzugte Lösung für dieses Dilemma.

Bereits vereinheitlichte Anschlüsse erlauben hierbei, die im Fahrzeug befindliche Ladeelektronik zu umgehen und in Abstimmung mit dem Batteriemanagementsystem im Fahrzeug direkt die Batterie zu laden. Konsequenterweise ist damit eine Schnellladung immer eine DC-Ladung. Eine korrekte und sichere Ladung der Batterie bedarf einer sicheren Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug. Gleiches gilt für die sichere und korrekte Bezahlung der entnommenen Energie. Die Ladestation wird hierdurch von einem einfachen Batterieladegerät zu einer der Schlüsselkomponenten im Förderprojekt „Internet of Energy for Electric Mobility“. Schwerpunkt des vorliegenden Artikels ist der leistungselektronische Teil dieser Ladestation und ihr Einfluss auf die Verbreitung der Elektromobilität.

Aufbau des DC/DC-Stellers

Die Ladestation muss einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen und insbesondere hinsichtlich elektrischer Sicherheit den aktuell gültigen Standards wie IEC 61851 entsprechen. In dieser Norm ist eine galvanische Trennung zwischen allen an eine Ladestation angeschlossenen Fahrzeugen untereinander sowie zum Energieverteilernetz vorgeschrieben.

Schnellladung ist aus Gründen der benötigten Infrastruktur und der mit der Station einhergehenden hohen Kosten nicht für den Einsatz im privaten Rahmen sinnvoll. Sie wird, ähnlich wie heutige Tankstellen, an zentralen Punkten in die bereits bestehende Infrastruktur integriert. Damit bieten sich zwei verschiedene Ansätze für den Aufbau solcher zentralen Ladestationen an:

Anlagen mit zentraler Gleichrichtung und daran sternförmig angeschlossenen DC/DC-Stellern zur Versorgung mehrerer Ladestellen und Anlagen mit individueller Gleichrichtung zur Ladung eines einzelnen Batteriesatzes.

Leistungselektronisches Kernstück beider Ansätze ist ein DC/DC-Steller, der auch die geforderte galvanische Trennung ermöglicht. Er ist notwendig, da die Versorgung der Station aus dem öffentlichen Netz erfolgen muss. Hieraus ergeben sich bei einer zentralen Gleichrichtung Spannungen, die für das direkte Laden der meisten Batteriesysteme zu hoch sind. Individuelle Gleichrichtung kann zwar die Höhe der DC-Spannung einstellen, bedarf aber trotzdem der galvanischen Trennung. Dies kann aus Kosten- und Gewichtsgründen nicht durch mit Netzfrequenz betriebene Transformatoren geschehen.

Die möglichen Alternativen, die Schaltverluste im benötigten DC/DC-Steller zu minimieren, sind

die Verwendung neuer Halbleitermaterialien wie z.B. Siliziumcarbid, die gegenüber IGBTs auf Basis von herkömmlichem Silizium kleinere Schaltverluste aufweisen; die Kombination von schnellen IGBTs mit SiC-Dioden, um die Schaltverluste der IGBTs zu verringern und die Recovery-Verluste der Dioden zu minimieren; die Nutzung von Topologien, die ein zumindest zum Teil entlastetes Schalten gestatten und somit die Schaltverluste reduzieren.

Der in diesem Beitrag beschriebene prototypische Aufbau, der im Rahmen des EU/Artemis-Förderprojekts „Internet of Energy for Electric Mobility“ entwickelt wurde, beruht auf der dritten Möglichkeit.

Die Nutzung einer resonant schaltenden Topologie mit Übertrager verspricht eine weitgehende Minimierung der Schaltverluste und gestattet den Einsatz bereits vorhandener Halbleitertechnologie. Bild 1 zeigt schematisch, wie der DC/DC-Steller der Ladestation aufgebaut ist.

Derartige DC/DC-Steller mit galvanischer Trennung enthalten Wickelgüter wie Trenn-Transformatoren, die die Herstellungskosten maßgeblich mitbestimmen und deshalb bezüglich Baugröße und Kosten zu minimieren sind. Aus dieser Anforderung geht der Wunsch nach Erhöhung der Schaltfrequenz hervor.

Da auch die notwendigen Filterkomponenten auf der Netzseite bei höherer Schaltfrequenz kleiner ausgelegt sein können, ergeben sich weitere Einsparungen im Gesamtsystem. In der hier diskutierten Ausführung findet, ermöglicht durch die resonante Anordnung, eine Schaltfrequenz von 32 kHz Verwendung.