Mittelspannungstankstelle für Ladeinfrastruktur in der Megawatt-Klasse
Schnell das Elektrofahrzeug laden zu können gehört für viele Interessierte der Elektromobilität neben der Reichweite zu den Schlüsselthemen, um vom Verbrennerfahrzeug umzusteigen.
Foto: Peter Kellerhoff
Die Reichweitenangst ist vielleicht ein typisch deutsches Thema. Ebenso wie die Sorge, mit einem Elektrofahrzeug an einer Ladesäule zu stehen und ewig lange warten zu müssen, bis das Fahrzeug aufgeladen ist. Dem letzten Thema hat sich das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE angenommen und zusammen mit Industriepartnern eine Mittelspannungs-Systemtechnik für zukünftige Schnellladestationen entwickelt, die Spitzenlasten von mehreren Megawatt ermöglichen.
Innovative Mittelspannungstechnik für Schnellladestationen
Zukünftige Ladestationen an Autobahnen, in Parkhäusern oder Logistikzentren müssen erheblich höhere Leistungen als heute bereitstellen. Der traditionelle Anschluss an das Niederspannungs-Wechselstromnetz reicht dafür nicht mehr aus. Im Projekt „MS-Tankstelle“ hat das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Industriepartnern eine Mittelspannungslösung für Schnellladestationen entwickelt, die Lasten von mehreren Megawatt bewältigen kann. Dank Siliziumkarbid-Halbleitern und einer höheren Spannungsebene werden sowohl Materialaufwand als auch Kosten für Hochleistungsladestationen reduziert.
Das System ist nach Aussagen des Entwicklungsteams effizient, flexibel skalierbar und auf verschiedene Fahrzeugtypen anpassbar. Ein Demonstrator wird auf der E-World (11. bis 13. Februar, Essen) am Stand der Fraunhofer-Allianz Energie präsentiert.
Steigender Bedarf an Schnellladestationen
Mit der wachsenden Zahl von Elektrofahrzeugen in Deutschland steigt auch die Nachfrage nach Schnellladestationen, die mehrere Fahrzeuge gleichzeitig bedienen können. Diese sind vor allem an Autobahnen sowie in städtischen Parkhäusern und auf Parkplätzen erforderlich. Ein durchschnittliches Schnellladesystem für Pkw benötigt etwa 150 kW, während bei Bussen, Vans oder kleinen Lkw bis zu 350 kW erreicht werden.
Da Ladevorgänge bislang länger dauern als das Tanken von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, werden an künftigen Tankstellen voraussichtlich 15 bis 25 Ladepunkte benötigt, um die gleiche Anzahl an Fahrzeugen in vergleichbarer Zeit zu bedienen. Schnellladestationen erfordern dabei Leistungen zwischen 1,5 MW und 3,5 MW. Dies übersteigt die Kapazität des Niederspannungsnetzes deutlich.
Effiziente Mittelspannungslösungen
Das gemeinsam mit Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG und AEG Power Solutions GmbH des Fraunhofer ISE entwickelte System setzt auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem Gleichrichter auf 1500 V Gleichstrom betrieben wird (1500 VDC). Diese Spannungsebene ermöglicht eine höhere Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass größere Kabelquerschnitte erforderlich sind. Dies reduziert den Kupferverbrauch und trägt nicht nur zum Umweltschutz, sondern auch zur Kostenreduzierung bei. Die Wahl von 1500 VDC orientiert sich an der Obergrenze für Niederspannung, oberhalb derer andere Normen gelten. Zukünftige Projekte planen, diese Spannung noch weiter zu steigern.
Modulares Design für vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Ein galvanisch getrennter Wandler verbindet das Gleichstromnetz mit der Fahrzeugbatterie und steuert den Ladevorgang. Diese Wandler mit jeweils 175 kW Leistung können parallel geschaltet werden, was die Skalierung für kleinere Pkw-Stationen ebenso wie für größere Lkw-Anlagen erleichtert. Das zentrale Konzept mit einem Gleichrichter und einer 1500-VDC-Verteilung erlaubt eine unabhängige Dimensionierung der Netzanschlusskomponenten wie Transformatoren und Gleichrichter. Dies senkt den Materialbedarf für Leistungselektronik, Kabel und Transformatoren im Vergleich zu bestehenden Lösungen.
Kompatibilität mit internationalen Standards
Um einen nahtlosen Ladeprozess zu gewährleisten, unterstützt das System die in Europa weit verbreiteten Standards CCS1 und CCS2 für Stromstärken bis 500 A und Spannungen bis 1000 V. Zusätzlich ist die Integration des Megawatt Charging System (MCS) vorgesehen. Eine angepasste Variante des Umrichters wird für diesen Standard entwickelt.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
„Die im Projekt entwickelte Topologie eignet sich nicht nur für Ladestationen, sondern auch für erneuerbare Hybridkraftwerke oder die Integration stationärer Batteriespeicher“, erklärt Andreas Hensel, Gruppenleiter Hochleistungselektronik und Systemtechnik am Fraunhofer ISE.
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/mobilitaet/eu-neue-regeln-fuer-ladesaeulen-ab-april/
