Ergebnisse Forschungsprojekt FastCharge Ladeprozess bald genau so schnell wie das Tanken

Das Laden eines Elektrofahrzeugs könnte bald genauso schnell von statten gehen, wie der Tankprozess eines Verbrenners. Das demonstrierten BMW, Porsche, Siemens, Phoenix Contact und Allego im Rahmen des Forschungsprojektes FastCharge.
Das Laden eines Elektrofahrzeugs könnte bald genauso schnell von statten gehen, wie der Tankprozess eines Verbrenners. Das demonstrierten BMW, Porsche, Siemens, Phoenix Contact und Allego im Rahmen des Forschungsprojektes FastCharge.

Das Laden von Elektrofahrzeugen könnte bald fast so schnell erfolgen wie heute das Betanken mit Kraftstoff – dank einer gesteigerten Ladeleistung von bis zu 450 kW Das ist ein Zwischenergebnis des Projektes FastCharge, an dem Porsche, BMW, Allego, Phoenix Contact und Siemens beteiligt sind.

Im bayerischen-schwäbischen Jettingen-Scheppach wurde am 12.12.2018 der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung von bis zu 450 kW eingeweiht. Im Projekt FastCharge entstandene Elektro-Forschungsfahrzeuge demonstrieren an dieser Ultra-Schnellladestation Ladezeiten von weniger als 3 Minuten für die ersten 100 km Reichweite sowie 15 Minuten für einen vollen Ladevorgang (10 bis 80 Prozent State of Charge). Die neue Ladestation ist für Elektromodelle aller Marken mit der in Europa üblichen Typ-2-Variante des weltweit verbreiteten Combined Charging System (CCS) geeignet und kann ab sofort kostenlos genutzt werden.

 

FastCharge im Detail

Das im Juli 2016 gestartete Forschungsprojekt FastCharge wird von einem Industriekonsortium unter der Führung von BMW betrieben, dem Allego, Phoenix Contact E-Mobility sowie Porsche und Siemens angehören. Das Projekt wird mit insgesamt 7,8 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert. Die Umsetzung der Förderrichtlinien wird von der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) koordiniert.

Im Rahmen von FastCharge untersuchen die Unternehmen, welche technischen Voraussetzungen an Fahrzeugen und Infrastruktur erfüllt werden müssen, um die hohen Ladeleistungen einsetzen zu können.

Die Basis bildet eine leistungsstarke Ladeinfrastruktur. Das im Projekt eingesetzte Energieversorgungssystem von Siemens ermöglicht es, die Grenzen der Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterien zu erproben. Es kann schon heute mit höheren Spannungen von bis zu 920 Volt arbeiten. In das System wurden sowohl die Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse als auch die Kommunikationsschnittstelle zu den Elektrofahrzeugen integriert. Dieser Lade-Controller sorgt für eine automatische Anpassung der abzugebenden Leistung, so dass verschiedene Elektroautos mit einer Infrastruktur geladen werden können. Die flexible, modulare Architektur des Systems erlaubt es außerdem, mehrerer Fahrzeuge simultan zu laden. Dank des Ladens mit hohen Stromstärken und Spannungen ermöglicht es eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete, etwa für Flottenladelösungen oder, wie in diesem Fall, das Laden an Autobahnen. Für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz in Jettingen-Scheppach wurde im Projekt ein Ladecontainer mit zwei Ladeanschlüssen realisiert: Ein Anschluss hat eine bisher einmalige Ladeleistung von maximal 450 kW, der Zweite gibt bis zu 175 kW ab.

Richtig kühlen

Die jetzt vorgestellten Ladesäulen-Prototypen von Allego nutzen die Ladestecker des CCS in der Typ-2-Variante für Europa. Um die beim schnellen Aufladen mit  hoher Leistung auftretenden Anforderungen zu erfüllen, kommen gekühlte High-Power-Charging-Ladekabel (HPC) von Phoenix Contact zum Einsatz, die vollständig CCS-kompatibel sind. Als Kühlflüssigkeit wird ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, wodurch sich der Kühlkreislauf halboffen gestalten lässt. Dadurch ist die Wartung im Gegensatz zu hermetisch geschlossenen Systemen, die mit Öl arbeiten, vergleichbar einfach, beispielsweise wenn Kühlflüssigkeit nachgefüllt wird.

Eine Herausforderung bestand darin, die in der Ladeleitung befindlichen Kühlschläuche beim Anschließen an die Ladesäule nicht zu quetschen, wie es mit einer herkömmlichen Kabelverschraubung passieren würde. In diesem Fall würden der Kühlfluss und damit die Kühlleistung beeinträchtigt werden. Dieses Problem wurde von Phoenix Contact durch eine speziell entwickelte Wanddurchführung mit definierten Schnittstellen für Leistungsübertragung, Kommunikation und Kühlung sowie integrierter Zugentlastung gelöst.

Ladeleistung der Station passt sich an maximale Ladeleistung des Fahrzeugs an

Je nach Fahrzeugmodell kann die neue Ultra-Schnellladestation sowohl für Fahrzeuge mit 400-V, als auch 800-V-Batteriesystemen eingesetzt werden. Ihre Ladeleistung passt sich automatisch der maximal zulässigen Ladeleistung des Fahrzeugs an. Die Zeitersparnis, die durch höhere Ladeleistungen erzielt werden kann, lässt sich am Beispiel des BMW i3 Forschungsfahrzeugs darstellen. Für einen Ladevorgang von 10 bis 80 Prozent SOC der Hochvoltbatterie mit 57 kWh Netto-Kapazität werden 15 Minuten benötigt. Das kann fahrzeugseitig durch den speziell entwickelten Hochvoltspeicher in Kombination mit einer intelligenten Ladestrategie erreicht werden. Dazu zählen u.a. die genaue Vorkonditionierung der Speichertemperatur bei Ladestart, Temperaturmanagement während des Ladevorgangs und ein perfekt abgestimmtes Profil der Ladeleistung über Zeit. Der Ladevorgang erfolgt über ein neuartiges fahrzeugseitiges Mehrspannungsnetz mit Hochvolt-DC/DC-Wandler, indem die geforderte 800-V-Eingangsspannung der Ladesäule auf die niedrigere 400-V-Systemspannung des i3-Forschungsfahrzeugs transformiert wird. Durch den HV-DC/DC kann das Fahrzeug auch rückwärtskompatibel an allen alten und zukünftigen Ladestationen Strom tanken. Entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb ist die gesicherte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule. Deswegen werden ebenso Standardisierungsthemen zur Interoperabilität erforscht und in Normierungsgremien gebracht.

Das Porsche Forschungsfahrzeug mit einer Netto-Batteriekapazität von ca. 90 kWh erreicht eine Ladeleistung von über 400 kW und ermöglicht damit Ladezeiten von unter 3 Minuten für die ersten 100 km Reichweite.