Gleichspannungs-Ladesysteme mit 350 kW Hohe Leistung für mehr Reichweite

Große Herausforderungen für Gleichspannungs-Ladesysteme in batteriebestriebenen Elektrofahrzeugen.
Große Herausforderungen für Gleichspannungs-Ladesysteme in batteriebestriebenen Elektrofahrzeugen.

Bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) spielt das flächendeckende Netzwerk an Ladestationen eine wichtige Rolle. Obwohl die Fahrzeuge größtenteils nur über kurze Strecken genutzt werden sind es die Wochenendausflüge und Urlaubsreisen, die künftig eine große Herausforderung darstellen.

Autofahrer sind seit Jahrzehnten an ein flächendeckendes Tankstellen-Netzwerk gewöhnt. Bei der Reiseplanung vorhandene Sprit- und andere Service-Stationen zu berücksichtigen, ist die Ausnahme. Das ändert sich schlagartig, wenn plötzlich auf ein Elektroauto zurückgegriffen wird – dann werden die potenziellen Ladestationen zu einem festen Bestandteil der Routenplanung.

Insbesondere die Ladezeit ist bei längeren Fahrten ein wichtiges Kriterium. Idealerweise liegt sie im Bereich der üblichen Betankungszeit von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Ein konventionelles 22-kW-Ladegerät für den Wechselstrom benötigt für eine Reichweite von 200 km eine Ladezeit von etwa 120 Minuten. Um die Ladezeit auf sieben Minuten zu reduzieren, ist ein DC-Ladegerät mit einer Leistung von 350 kW erforderlich.

Existierende Standards

Arbeitsgruppen innerhalb verschiedener Organisationen zur Standardisierung haben weltweit die wichtigsten Funktionsmerkmale für Schnellladesysteme (High Power Charging, HPCs) definiert. Dazu zählen beispielsweise nachfolgende Punkte:

  • Betriebsbedingungen
  • Ladesequenz
  • Kommunikation
  • Steckverbindungen

In Europa und den USA sind das beispielsweise CharIN oder Combined Charging System (CCS) beziehungsweise CHAdeMO in Japan und GB/T in China. Manche Autohersteller nutzen aber auch proprietäre Produkte für das Laden.
Für die entsprechenden Hersteller von Ladesystemen bedeutet das, dass ein modularer Ansatz erforderlich ist. So können bestimmte Bestandteile wie ein gemeinsames Gehäuse oder das Kühlungskonzept immer weiter eingesetzt werden, während Stecker, Kabel und die Leistungselektronik an die jeweiligen Zielmärkte angepasst werden müssen.

Design-Ansätze für schnelle DC-Ladesysteme

Schnelllade-HPC-Systeme benötigen eine spezielle Infrastruktur im Mittel- (MV) und Niederspannungsbereich (LV) für ihre Versorgung. Die Ladesysteme werden künftig primär in Servicestationen auf und neben der Autobahn an wichtigen Hauptverkehrsadern installiert werden. Bei den Systemen speist eine Wechselspannung einen isolierten Transformator, auf dessen Sekundärseite eine Gleichspannung zur Verfügung steht. Dabei kommen häufig Transformatoren mit einer doppelten Dreieck-(D)- und Stern-(Y)-Wicklung zum Einsatz.
Die Transformatoren mit Phasenverschiebung werden anschließend mit seriellen oder parallelen Multipuls-Gleichrichtern kombiniert, die den Anteil an (Harmonischen) Oberwellen am Eingang reduzieren. In derartigen Designs ist der Transformator erforderlich, auch wenn eine Isolation durch die gewählte Topologie der DC/DC-Stufe gegeben ist. Die erste Design-Entscheidung ist dabei, ob ein gängiger AC- oder DC-Bus-Ansatz gewählt wird.
Bei einem Design mit AC-Bus, speist die Sekundärseite des Transformators mehrere AC/DC-Wandler, die wiederum ihre eigenen DC/DC-Stufen versorgen. Das hat den Vorteil, dass das Design für die Ladeschaltung vereinfacht wird. Allerdings ist eine Wiederholung der AC/DC-Stufe erforderlich, da mehrere Filter, Steuerungs- und Sensorstufen notwendig sind – das führt allerdings zu Mehrkosten. Und derzeit ist die Rückspeisung der Energie in das Stromnetz wie bei Vehicle-to-Grid (V2G) oder Vehicle-to-Building (V2B) noch nicht vorgeschrieben. Sollte das in Zukunft gefordert werden, steigen Kosten und Komplexität nochmals an.

Der Ansatz mit dem DC-Bus nutzt dagegen nur eine AC/DC-Stufe, um den DC-Ausgang für die Versorgung aller DC/DC-Stufen zu erzeugen. In vielen Fällen ist der Ansatz kostengünstiger, da er weniger Bauteile und damit Kosten zur Folge hat, während die Effizienz erhöht wird. Auch wenn V2G und V2B erforderlich werden, ist die Implementierung einfacher. Ein DC-Bus kann auch einfacher mit anderen Energiesystemen (lokale Batterie und Photovoltaik) kombiniert werden. Letztendlich unterstützen derzeitige DC-Ladestandards zentralisierte Ladestationen, die als aktive Front-Ends für mehrere Batterieladegeräte fungieren. Der größte Nachteil ist die Dimensionierung eines derart leistungsfähigen aktiven Front-Ends.

Ladeparks, die eine Leistung von zwei oder 3 MW bereitstellen, bevorzugen den DC-Bus, um bis zu sechs oder acht High-Power-DC/DC-Ladestufen zu versorgen.