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Auf die Ladeinfrastruktur kommt es an

21. Mai 2021, 11:30 Uhr   |  Von Rainer Scalick, Produktmanager bei Codico

Auf die Ladeinfrastruktur kommt es an
© Codico

Um der Elektromobilität einen Schub zu versetzen, kommt der Ladeinfrastruktur eine wesentliche Rolle zu. Dabei geht es um die Frage, wie, wo und wie schnell geladen werden kann. Codico hat das Know-how dafür und erläutert verschiedene Ansätze.

Je nach Einsatzbereich sind aktuell folgende unterschiedliche Ladeformen zu finden. Das Main Harbor Charging findet bei Ladesäulen im Heimbereich Anwendung. In den meisten Fällen gibt es hier unterschiedliche Ausführungen. Einerseits ist dies durch die Hausanschlussleistung limitiert, andererseits durch die Möglichkeit des Ladens. An einer Standardsteckdose (230 V/10 A) ist eine Leistung bis 2,3 kW abrufbar. Bei den sogenannten Wallboxen ist es möglich, bis zu einer Leistung von 22 kW zu laden; ein gängiger Wert für Heimanwendungen liegt bei 11 kW, da die typische Anschlussleistung bei zirka 14 kW liegt. Das Destination Charging beschreibt Ladesäulen, die sich zum Beispiel vor Einkaufszentren befinden. Hier stehen höhere Anschlussleistungen des Stromnetzes zur Verfügung, weshalb eine höhere Ladeleistung abrufbar ist. Diese beträgt zirka 50 kW. Hier ist der limitierende Faktor der On-Board Charger (OBC), der herstellerabhängig definiert wird und keinem europäischen Standard unterliegt. Range Extension Charging hingegen kommt bei Ladesäulen zum Einatz, die an Autobahnen stehen und sehr schnell viel Energie bereitstellen können. Die Ladeleistungen sind deutlich über 50 kW und finden ihre Limitierung bei zirka 320 kW. Hier gibt es keine Limitierung des OBC, da dieser durch eine Bypass-Leitung umgangen wird und die Leistung direkt dem Batteriemanagement (BMS) zur Verfügung steht.

Was hat es nun mit OBC, Bypass-Leitung und dergleichen auf sich? Bei den drei unterschiedlichen Ladeformen wird immer wieder von AC Charging und DC Charging gesprochen. Das ist im ersten Moment etwas verwirrend, da man Batterien nach allgemeinem Wissen immer nur mit Gleichstrom laden kann.
Bild 1 zeigt den Unterschied zwischen AC und DC Charging. AC Charging heißt, dass der Wechselstrom vom Netz kommend in den OBC eingespeist wird – wie in Main Harbor Charging beschrieben mit einer Leistung von 2,2 bis 22 kW, abhängig von der Hausanschlussleistung. Der OBC transformiert den Wechselstrom in Gleichstrom. Vereinfacht gesagt macht die AC-Ladestation nichts anderes, als die Leistung freizuschalten und eine Kommunikation mit dem OBC herzustellen, was sich auch an den Stückkosten bemerkbar macht. Zwischen den AC-Ladern und den DC-Ladern ist ein Preisunterschied von zirka Faktor 10.

Bei DC-Ladestationen werden im ersten Schritt sogenannte schnelle Transiente abgeleitet, die beispielsweise durch einen Blitz entstehen können. Dies wird durch den Einsatz von Varistoren oder/und Gas Discharge Tubes (GDT) erreicht. Im zweiten Schritt werden Filterelemente eingesetzt, um einerseits die Störungen vom Netz in das Gerät zu reduzieren bzw. zu unterdrücken und andererseits die Störung vom Gerät in das Netz zu minimieren. Dies wird durch CMC (Common Mode Choke, stromkompensierte Drossel) und X/Y-Kondensatoren realisiert. Als Nächstes wird die Spannung durch eine Netzteiltechnologie von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt. Der DC-Link-Kondensatorblock ist das Schlüsselelement bei Ladestationsapplikationen; er gewährleistet einen konstanten Spannungsfluss und ist für die Langlebigkeit der Batterie verantwortlich. Der Kondensatorblock ermöglicht einen niederimpedanten Rückstrompfad für die Schaltströme. Zusammengefasst sind diese Kondensatoren für die Batterielebensdauer und das Abstrahlverhalten von essentieller Bedeutung.
Im Anschluss wird die Gleichspannung wieder in Wechselstrom transformiert, um über eine galvanische Isolationsstrecke übertragen zu werden. Bei diesen Transformatoren handelt es sich um kundenspezifische Transformatoren, die speziell angefertigt werden, um dem Kunden das bestmögliche Ergebnis zu bieten. Anschließend wird die Wechselspannung wieder in Gleichstrom transformiert. Hierbei werden bei einem Strom von zirka 200 A Spannungen bis zu 1000 V erzeugt. Im vorletzten Schritt wird noch mittels eines Ausgangsfilters die Gleichspannung geglättet. Im letzten Schritt wird mittels eines Shunts der Stromfluss gemessen.

Entscheidende Trends bei Ladestationen sind ein bidirektionaler Leistungsverlauf, hohe Effizienz und hohe Leistungsdichten. Ersteres ermöglicht, dass das Auto als Stromspeicher zur Verfügung steht, was als Grid to Vehicle (GTV) und Vehicle to Grid (VTG) bezeichnet wird. Aus diesem Grund werden vermehrt Produkte entwickelt, die einen bidirektionalen Leistungsverlauf haben können. Hierfür muss man allerdings die passende Hardware-Architektur auswählen, wobei Codico als Design-in-Spezialist beratend zur Seite steht. Hohe Effizienz ist bei einer breiten Flächenanwendung wichtig, um die Stromnetze nicht unnötig zu belasten. Es ist durchaus vorstellbar, dass sich in naher Zukunft Ladesäulen auch als Netzausgleichsmechanismus nutzen lassen. Dies wird speziell bei bidirektionalem Leistungsverlauf möglich sein. – Hohe Leistungsdichten stellen für viele Kunden ein wichtiges Thema dar, da sie durch noch schnellere Bauteile immer kleinere Leiterplatten erzeugen wollen. Vermehrt setzen sie daher bei Halbleitern auf GaN- oder SiC-Produkte.

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