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Elektromobilität

Flexibel Laden mit Standardnetzteilen

Electric Vehicle. Charger
© iStock.com/mikkelwilliam

Spannung, Ladestrom, Ladezeit – Hersteller von Akkuladestationen müssen viele Vorgaben berücksichtigen. Da sich diese regelmäßig ändern, können Sonderentwicklungen auf Dauer teuer werden. Günstiger sind parametrierbare Standardnetzteile, die sich in solchen Fällen einfach neu einstellen lassen.

Egal ob Elektroauto oder E-Bike – es sind die Hersteller der darin verbauten Akkus, die die Anbieter von Ladestationen aktuell mit immer neuen Vorgaben vor sich hertreiben. Denn die Topologie der Akkus und die verwendeten Materialien ändern sich regelmäßig. So sind derzeit Lithiumionen-Eisen-Akkus zwar Stand der Technik, doch in Südkorea wird bereits an neuen Materialien geforscht, die leichter sind, einfacher zu beschaffen und länger verfügbar. Außerdem bieten beispielsweise im Automotive-Bereich die verschiedenen Hersteller Elektrofahrzeuge mit unterschiedlicher Akkuspannung an. Während die meisten mit einer 400-V-Batterie unterwegs sind, benötigen andere 600 V oder 800 V.

All diese Akkus müssen nach einer festgelegten Ladetechnik aufgeladen werden – mit bestimmten Strömen, mit einer bestimmten Spannung, mit bestimmtem Monitoring. Halten die Anbieter von Ladestationen diese Vorgaben nicht ein, sind verschiedenste Szenarien denkbar. Der Akku wird nicht vollständig geladen oder – im Gegenteil – überladen, sodass er im schlimmsten Fall explodiert oder in Flammen aufgeht.

Um den verschiedenen Vorgaben gerecht zu werden, bieten Hersteller von Ladestationen derzeit Geräte an, die genau auf die Vorgaben bestimmter Akkutypen hin entwickelt wurden. Die Crux: Diese Sonderentwicklungen lösen die Vorgaben nur für eine bestimmte 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.

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 eine Gleichspannung mit 400 V oder 800 V, um damit die Akkus zu laden. Viele Hersteller von Ladestationen stellen dieses Netzteil derzeit noch in Eigenentwicklung her. Dies ist nicht nur zeitaufwendig und teuer, sondern immer auch mit der Beschränkung auf einen bestimmten Akkutyp sowie wegen der beschriebenen sich verändernden Anforderungen gewissermaßen zeitlich befristet.

Eine kostengünstige, schnell veränderbare und daher besonders zukunftsfähige Alternative dazu stellen parametrierbare Netzteile wie die des taiwanischen Herstellers Cotek dar, die in Deutschland über Systemtechnik Leber vertrieben werden. Diese kommen mit variierender Wechselspannung am Eingang klar, und ändern sich die Vorgaben, lassen sich die Parameter im Netzteil neu einstellen. Und das Beste: Sogar 800-V-Batterien können damit geladen werden, da sich dank der integrierten ORing-Diode einfach zwei Netzteile mit 400 V Ausgangsspannung in Reihe schalten lassen.

Relevante Anbieter

Akkutypen und -ladung im Detail

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 Lademethode mit konstantem Strom und danach mit konstanter Spannung vor. Der Ladestrom soll bei +20 °C einen Wert von 0,1 C (C = Nennkapazität des Akkus) nicht überschreiten. Nach Übergang in den Betrieb mit konstanter Spannung (Erhaltungsladung) sollte die Spannung von 2,28 V pro Zelle nicht überschritten werden. Weiterhin ist eine Temperaturkompensation der Zellenspannung um –3 mV/K vorzunehmen (Referenztemperatur +20 °C).

Noch etwas komplizierter wird es durch die Unterscheidung zwischen zyklischem Betrieb, wie er beispielsweise typisch für Gabelstapler ist, und dem 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.

Durch das Thema 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 Nickel-Eisen- (NiFe), Lithium-Eisenphosphat- (LiFePo4) und Lithium-Ionen-Akkus, deren Kathode aus Lithium-Metalloxid und die Anode aus Graphit bestehen. In E-Autos kommen heute hauptsächlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Tesla jedoch forscht bereits an einem Materialmix in den Zellen, um in der Anode Graphit durch Silizium zu ersetzen. An der Kathode will man statt Kobalt Nickel und andere Materialien einsetzen. Chinesische Hersteller forschen momentan an Kobalt-freien Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Getrieben werden die Forschungen durch die Aspekte Gewichts- und Kosteneinsparung sowie Energiedichte.

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 gebräuchlich. Porsche setzt beim Modell Taycan Akkus mit 800 V ein. Tatsache ist aber auch, dass einige Bestandteile dieser Akkus nicht in unbegrenzter Menge vorhanden sind und somit weiter an neuen Technologien geforscht wird.

Die programmierbaren Netzteile der Serie AEK-3000-HV von Cotek eignen sich, um ganz verschiedene Akkus individuell abgestimmt zu laden
Die programmierbaren Netzteile der Serie AEK-3000-HV von Cotek eignen sich, um ganz verschiedene Akkus individuell abgestimmt zu laden.
© Systemtechnik Leber

Standardnetzteile halten Schritt

Die Forschung an neuen Zelltechnologien bringt immer wieder neue Herausforderungen an die Ladetechnik mit sich. Dem kann man mit dem Einsatz parametrierbarer Standardnetzteile begegnen. Doch nicht jedes ist dafür geeignet. So liegt der Fokus der meisten Anbieter von Netzteilen auf den Anforderungen des sehr großen Maschinen- und Anlagenbaus. Im Gegensatz dazu hat sich Cotek auf die Entwicklung und Produktion von Netzteilen für Nischenmärkte und deren speziellen Anforderungen spezialisiert, beispielsweise die Ladetechnik mit hohen Spannungen.

Die neueste Produktreihe AEK-3000-HV umfasst 3 kW starke Stromversorgungen mit Ausgangsspannungen von 150 V, 200 V, 250 V, 300 V und 400 V und besitzt eine integrierte ORing-Diode (Bild 1). Das hat gleich mehrere Vorteile: Durch diese Rückspeise-Schutzdiode eignen sichdie Netzteile von Cotek zum einen zum Laden von Akkus bestens,zum anderen lassen sich bis zu acht Geräte parallel- und bis zu zwei Geräte in Reihe schalten, was eine maximale Ausgangsleistung von 24 kW und eine maximale Ausgangsspannung von 800 V ergibt.

Merkmale der Netzteilreihe AEK-3000-HV
  • Weitbereichseingang: 90 V bis 264 V
  • Wirkungsgrad: bis zu 92 Prozent
  • Programmierbare Ausgangsspannung: 0 % bis 105 %
  • Programmierbarer Ausgangsstrom: 0 % bis 105 %
  • Erzwungene Stromaufteilung im Parallelbetrieb
  • Hilfsausgang mit wahlweise +5 V/0,5 A oder +9 V/0,3 A
  • Power-OK-Signal, Remote ON/OFF, Remote-Sense
  • Absicherung: OVP, OLP, OTP, Lüfterausfall
  • 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

Mittels integrierten I²C- und RS-485-Schnittstellen können Ausgangsspannung und Ausgangsstrom von 0 % bis 105 % Last geregelt werden. Die Genauigkeit der Spannungsprogrammierung liegt im Bereich von 10 mV, die Reaktionszeit beträgt bei digitaler Ansteuerung unter 5 ms, bei einer analogen Ansteuerung (0 – 10V bzw. über Potenziometer) unter 20 ms. Über weitere Schnittstellen können Ausgangsspannung und -strom zurückgelesen und geschaltet werden (Remote ON/OFF). Über Sense-Eingänge lassen sich Spannungsabfälle auf den Leitungen zum Verbraucher kompensieren. Mittels einer übergeordneten Steuerung lassen sich diese Netzteile somit an die akkuspezifischen Ladeparameter anpassen.

 

Der Autor

 

 

Denny Vogel von Systemtechnik Leber
Denny Vogel von Systemtechnik Leber.
© Systemtechnik Leber

 

 

 

Denny Vogel

ist Spezialist für Stromversorgungen bei Systemtechnik Leber.


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