Das Fraunhofer ISE entwickelt mit Industriepartnern neue Ladestationen für Elektrofahrzeuge, die die steigende Leistungsanforderung der Zukunft erfüllen können. Die Schlüsseltechnologie ist die Nutzung von Mittelspannung, die den Materialbedarf und die Kosten reduziert, während gleichzeitig die Effizienz und Flexibilität erhöht wird.
Ladestationen an Autobahnen, in Parkhäusern oder Logistikzentren müssen künftig ein Vielfaches der heutigen Leistung in kurzer Zeit liefern. Deshalb können neue Ladestationen nicht ohne Weiteres wie bisher an das Niederspannungs-Wechselstromnetz angeschlossen werden. Im Projekt „MS-Tankstelle“ entwickelte das Fraunhofer ISE mit Industriepartnern die Mittelspannung s-Systemtechnik für zukünftige Schnellladestationen, die Spitzenlasten von mehreren Megawatt ermöglichen.
Der Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern und die Anhebung des Spannungs-Niveaus senken den Materialeinsatz und die Kosten für die Hochleistungs-Ladestationen. Gleichzeitig sei das System sehr effizient und könne flexibel auf unterschiedlich große Ladestationen und verschiedene Fahrzeugtypen angewandt werden, erklären die Forscher. \Die durchschnittliche Leistung eines Schnellladesystems für einen Pkw liegt bei 150 kW, bei Bussen, Vans und kleinen Lkw steigt sie bis auf derzeit 350 kW. Da das elektrische Laden langsamer verläuft als der Tankvorgang, sind an Tankstellen in Zukunft laut den Experten statt acht Zapfsäulen etwa 15 bis 25 Ladepunkte nötig, um die gleiche Fahrzeuganzahl in gleicher Zeit zu bedienen. „Beim parallelen Schnellladen ruft die Elektrotankstelle etwa 1,5 bis 3,5 Megawatt Leistung ab. Damit können zukünftige Schnellladestationen nicht länger über das Niederspannungsnetz versorgt werden— selbst bei geringer Auslastung der Tankstelle würde die nötige Leistung 300 kW übersteigen“, erklären die Forscher. „Auch die Verteilung innerhalb der Tankstelle oder des Parkhauses sollte nicht im Niederspannungsnetz erfolgen, da die langen Kabelwege (bei 25 Ladepunkten 100 Meter und mehr) und die hohen Leistungen zu hohen Installationskosten bzw. hohen Verlusten in den Kabeln führen.“\Das im Projekt mit den Partnern Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG und AEG Powersolutions GmbH entwickelte leistungselektronische System für Ladestationen setzt auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem Gleichrichter auf einer Spannung von 1500 VDC betrieben wird. Die höhere Spannungsebene führt zu einer höheren Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass der Kabelquerschnitt größer werden muss. Durch den deutlich geringeren Kupferverbrauch wird ein Beitrag zum Umwelt- und Ressourcenschutz geleistet. Der Wert von 1500 VDC wurde gewählt, da dies die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. In Folgeprojekten ist geplant, die Spannung darüber hinaus zu steigern.Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das Gleichstrom-(DC)-Verteilnetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Gleichstromwandler mit einer Leistung von je 175 kW sind laut den Entwicklern so konzipiert, dass sie im System problemlos parallelgeschaltet werden können. Dieser modulare Ansatz erlaube es, sowohl Ladestationen mit geringerer Leistung für Pkw als auch Stationen mit größerer Leistung für Lkw zu bauen. Im Gegensatz zur heimischen Wallbox müssen Ladestationen kompatibel für verschiedene Fahrzeugtypen sein. Das im Projekt entwickelte Konzept mit einem zentralen Gleichrichter und einer 1500 V-DC-Verteilung hat den Vorteil, dass die Netzanschlusskomponenten (Transformator und Gleichrichter) unabhängiger von der Ladeelektronik dimensioniert und skaliert werden können. Mit Blick auf den großen Bedarf an Leistungselektronik und Komponenten wie Kabeln und Transformatoren werde der Materialbedarf im Vergleich zu aktuellen Lösungen deutlich reduziert, heißt es. Für einen unkomplizierten Ladeprozess soll die Station mit den in Europa dominierenden Standards CCS1 und CCS2 (Combined charging system) voll kompatibel sein, das heißt für Stromstärken bis 500 A und eine Spannung bis 1000 V in den Fahrzeugen. Darüber hinaus soll das Konzept auch den Megawatt-Charging-System-(MCS)-Standard unterstützen. Für diesen ist eine zweite Umrichtermodul-Variante geplant, für die lediglich einige Komponenten angepasst werden müssen. „Die von uns im Projekt entwickelte Topologie kann nicht nur für Ladestationen, sondern potenziell auch in erneuerbaren Hybridkraftwerken oder für die Integration von stationären Batteriespeichern eingesetzt werden“, erklärt Andreas Hensel, Gruppenleiter Hochleistungselektronik und Systemtechnik am Fraunhofer ISE
Elektrofahrzeuge Ladestationen Mittelspannung Schnellladung Nachhaltigkeit Fraunhofer ISE
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