Schwerpunkte

Akku- und Batterieladestationen

Standardnetzteile reichen aus

29. Juli 2021, 10:00 Uhr   |  Autor: Denny Vogel, Redaktion: Irina Hübner

Standardnetzteile reichen aus
© Shutterstock.com

Akku- und Batterieladestationen müssen zahlreiche Vorgaben erfüllen, die sich regelmäßig ändern. Dann müssen die Ladestationen angepasst werden. Werden als DC-Quellen Sonderentwicklungen eingesetzt, kann diese Anpassung auf Dauer teuer werden. Günstiger sind flexibel einstellbare Standardnetzteile.

Egal ob Elektroauto oder E-Bike – es sind die Hersteller der darin verbauten Batterien und Akkus, die die Anbieter von Ladestationen aktuell mit immer neuen Vorgaben vor sich hertreiben. Denn die Topologie der Batterien und die verwendeten Materialien ändern sich in schöner Regelmäßigkeit. So sind derzeit Lithiumionen-Eisen-Akkus zwar State-of-the-Art, doch in Korea wird bereits an neuen Materialien geforscht, die leichter sind, einfacher zu beschaffen und länger verfügbar. Werden die Vorgaben von den Ladestationsanbietern nicht eingehalten, sind verschiedenste Szenarien denkbar. Die Batterie wird nicht vollständig geladen, oder umgekehrt überladen oder sie kann im schlimmsten Fall sogar explodieren oder in Flammen aufgehen.

Das alles vor dem Hintergrund der Tatsache, dass beispielsweise im Automotive-Bereich die verschiedenen Autohersteller Modelle mit unterschiedlicher Hochspannungsladung anbieten. Während die meisten mit einer 400-V-Batterie unterwegs sind, benötigen andere 600 V oder sogar 800 V. All diese Batterien müssen nach einer festgelegten Ladetechnik aufgeladen werden – mit bestimmten Strömen, mit einer bestimmten Spannung, mit bestimmtem Monitoring.

Um diesen verschiedenen Vorgaben gerecht zu werden, bieten Hersteller von Ladestationen derzeit Standardgeräte an, die genau auf die Vorgaben bestimmter Akku- oder Batterie-Typen hin entwickelt wurden. Die Crux: diese Sonderentwicklungen lösen die Vorgaben aber nur für kurze Zeit – nämlich so lange, bis sich die Anforderungen erneut ändern. Dann muss die Ladestation erneut umgerüstet werden, da der bisher eingesetzte AC/DC-Wandler nicht mehr passt.

Eine Stromversorgung aus der Serie Cotek AEK-3000-HV.
© Systemtechnik Leber

Eine Stromversorgung aus der Serie Cotek AEK-3000-HV.

Schlüsselfaktor AC/DC-Wandler

Der entscheidende Knackpunkt ist das verbaute Netzteil, über das die Wechselspannung alternativ einphasig mit 230 V oder dreiphasig mit 400 V in die Ladestation läuft. Das Netzteil wandelt diese je nach Bedarf in 400 oder 800 V DC-Spannung um, die zum Laden von Batterien und Akkus erforderlich ist. Viele Ladestationshersteller stellen dieses Netzteil derzeit noch in Eigenentwicklung her, was nicht nur zeitaufwändig und teuer ist, sondern immer auch mit der Beschränkung auf einen bestimmten Akku-Typ sowie einer gewissen zeitlichen Befristung wegen der beschriebenen, sich verändernden Anforderungen, verbunden ist.

Eine kostengünstige, schnell veränderbare und daher besonders zukunftsfähige Alternative dazu stellen parametrierbare Netzteile wie die des taiwanesische Herstellers Cotek dar, die in Deutschland über den Elektronikspezialisten Systemtechnik Leber vertrieben werden. Denn dieses kommt mit variierender Wechselspannung klar. Ändern sich die Vorgaben, werden einfach die Parameter im Netzteil neu eingestellt. Sogar 800-V-Batterien können damit geladen werden, da dazu dank der im Cotek-Netzteil verbauten O-Ring-Diode auch einfach zwei 400-V-DC-Netzteile in Reihe geschaltet werden können.

Vorgaben zum Akku-Laden

Gebräuchlichster und zugleich modernster Energiespeicher sind VRLA-Zellen (Valve Regulated Lead Acid) mit AGM-Technik (Absorber Glas Mat) auf Basis von Blei-Vlies-Technologie. An deren chemisch-physikalischen Besonderheiten muss die Technik von Ladestationen angepasst werden. Dazu geben die Hersteller eine selbstbegrenzende Konstantstrom/Konstantspannungsladungs- (I/U-)Lademethode vor. Der Ladestrom soll bei 20 °C einen Wert von 0,1C (C – Nennkapazität des Akkus) nicht überschreiten. Nach Übergang in den Konstantspannungsbetrieb (Erhaltungsladung) sollte die Spannung von 2,28 V pro Zelle nicht überschritten werden. Weiterhin ist eine Temperaturkompensation (Basis 20 °C) der Zellenspannung um -3 mV/K vorzunehmen.

Noch etwas komplizierter wird es durch die Unterscheidung zwischen zyklischem Betrieb, wie er beispielsweise typisch für Gabelstapler ist, und Bereitschafts-Parallelbetrieb, der unter anderem bei USV-Anlagen Usus ist. Denn während für den Stapler das sogenannte Drei-Phasen-Laden empfohlen wird, liegt bei der USV-Anlage der Fokus auf einer möglichst schonenden Ladung in möglichst kurzer Zeit. So soll eine möglichst lange Lebensdauer der Akkus gewährleistet werden.

Angetrieben durch die Elektromobilität wird ständig nach neuen, leichten und effizienten Zellen geforscht. So wurden mittlerweile NiCd- und NiMH-Akkus weitgehend abgelöst. Im Fokus stehen heute Technologien wie NiFe, LiFePo und LiIon, deren Kathode aus Lithium Metalloxid und die Anode aus Graphit bestehen. In E-Autos kommen hauptsächlich letztere zum Einsatz. Tesla forscht jedoch bereits an einem Materialmix in den Zellen, bei dem an der Anode Graphit durch Silicon ersetzt werden soll.

An der Kathode soll Kobalt durch Nickel und andere Materialien ersetzt werden. Und chinesische Hersteller forschen momentan an kobaltfreien Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Die Forschungen werden durch die Aspekte Gewichts- und Kosteneinsparung und Energiedichte getrieben. Durch Parallel- und Reihenschaltung der Einzelzellen ergeben sich unterschiedliche Spannungen und Kapazitäten der Akkus. Momentan sind in den meisten Automotive-Anwendungen Akkus mit 400 V DC gebräuchlich. Porsche setzt beim Modell Taycan Akkus mit 800 V DC ein.

Tatsache ist aber auch, dass die Bestandteile dieser Akkus (Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Mangan), ebenso wie fossile Brennstoffe, nicht in unbegrenzter Menge vorhanden sind und somit weiter an neuen Technologien geforscht wird.

In Reihe geschaltete Cotek-Stromversorgungen.
© Systemtechnik Leber

In Reihe geschaltete Cotek-Stromversorgungen.

Standardnetzteil hält Schritt

Die Forschung an neuen Zelltechnologien bringt immer wieder neue Herausforderungen an die Ladetechnik mit sich. Begegnet werden kann diesen wie schon erwähnt mit dem Einsatz parametrierbarer Standardnetzteile. Doch nicht jedes ist dafür geeignet. So liegt der Fokus der meisten Netzteile-Anbieter auf den Anforderungen des Massenmarkts Maschinen- und Anlagenbau. Im Gegensatz dazu hat sich Cotek auf die Entwicklung und Produktion von Netzteilen für Nischenmärkte und deren speziellen Anforderungen spezialisiert. Einer dieser Märkte ist die Hochvolt-Ladetechnik.

Die neueste Cotek-Produktreihe AEK-3000-HV umfasst 3-kW-DC-Stromversorgungen mit Ausgangsspannungen von 150, 200, 250; 300 und 400 V DC und besitzt eine integrierte O-Ring-Diode. Das hat gleich mehrere Vorteile: Zum einen sind durch diese Rückspeise-Schutzdiode die COTEK-Netzteile zum Laden von Akkus bestens geeignet. Zum anderen können durch die Parallel- (maximal acht Geräte) und Reihenschaltbarkeit (maximal zwei Geräte) eine maximale Ausgangsleistung von 24 kW und eine maximale Ausgansspannung von 800 V realisiert werden.

Mittels integrierten I2C- und RS-485-Schnittstellen können Ausgangsspannung und Ausgangsstrom von 0 bis 105 % geregelt werden. Die Genauigkeit der Spannungsprogrammierung liegt im 10-mV-Bereich, die Reaktionszeit beträgt bei digitaler Ansteuerung weniger als 5 ms.

Bei einer analogen Ansteuerung (0 bis 10 V bzw. über Potentiometer) von weniger als 20 ms über weitere Schnittstellen können Ausgangsspannung und Ausgangsstrom rückgelesen und geschaltet werden (Remote On/Off). Sense-Eingänge ermöglichen es, Spannungsabfälle auf den Leitungen zum Verbraucher zu kompensieren. Mittels einer übergeordneten Steuerung lassen sich also diese Netzteile optimal an die akkuspezifischen Ladeparameter anpassen.

Weitere Vorteile der Cotek-Stromversorgungen:

  •  Weitbereichseingang von 90 bis 264 V AC
  • Wirkungsgrad von bis zu 92 %
  • Zertifiziert nach EN/UL 62368-1, EN 55032, EN 61000-3-2, EN 61000-3-3, EN 55024 und IEC 61000-4-2,3,4,5,6,8,11
  • Weltweit einsetzbar

Systemtechnik Leber hat die Einführung dieser neue Cotek-Netzteil-Serie AEK-3000-HV bereits in verschiedenen Anwendungsfeldern erfolgreich begleitet. So wurden sie unter anderem in die Ladestationen für eine Flotte von City-Elektrobussen integriert sowie in mobile bzw. mitfahrende Ladesysteme für autonome Kommissionier-Roboter. Und auch Lithium-Ionen-Akkus aus der Luftfahrt werden mit den Cotek-Netzteilen geladen.

Stefan Angele, Geschäftsführer von Systemtechnik Leber, kommentiert die Verwendbarkeit der Stromversorgungen folgendermaßen: »An den genannten Beispielen sieht man gut, dass die flexible Parametrierbarkeit der Cotek-Stromversorgungen die optimale Basis für ganz unterschiedliche Ladesysteme bildet.«

Die Anpassung an die jeweiligen Ladeparameter erfolgt dabei jeweils über die übergeordnete Steuerung. »Aber«, so Angele weiter, »wir unterstützen auch bei der Integration der Geräte ins jeweilige Gesamtsystem, ebenso wie bei der Steuerungsprogrammierung.« Die Cotek-Netzteil-Serie AEK-3000-HV ist übrigens erst seit Anfang 2021 in Deutschland erhältlich und ermöglicht es folglich frühen Anwendern, die Nase in punkto schneller Umsetzung aktueller Akku-Lade-Vorgaben vorne zu haben.

Der Autor
Denny Vogel
ist Spezialist Stromversorgungen bei Systemtechnik Leber.

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

WEKA FACHMEDIEN GmbH