Anforderungen an Schnellladestationen und Kennzahlen beim Laden mit Gleichstrom

In einem 400 V-Dreiphasen-Wechselstromnetz ist die maximal entnehmbare Ladeleistung u. a. durch die notwendigen Netzsicherungen auf 22kW (32A) bzw. 43kW (63A) begrenzt. Für das Schnellladen leistungsfähiger Fahrzeugbatterien ist deshalb das Laden mit Gleichstrom (DC) an speziellen Ladesäulen favorisiert.

Die typischen Ladeleistungen

An modernen DC-Schnellladesäulen werden heute üblicherweise Batteriepacks mit Spannungen um 400 V geladen. Dabei liegen die typischen Ladeleistungen bei maximal 50 kW, so dass es etwa 80 Minuten dauert, um die Batterie für 400 km Fahrstrecke aufzuladen (Abb. 1).

Da die Ladestecker derzeit einen maximalen Ladedauerstrom von 200 A bieten, beträgt die mit den heute gebräuchlichen 400 V-Systemen mögliche Ladeleistung höchstens 80 kW. Eine Ladezeit von 50 Minuten für 400 km Fahrstrecke ist daher derzeit kaum zu unterschreiten. Das Ziel „Laden wie Tanken“ ist von zentraler Bedeutung bei der Entwicklung der gesamten Ladeinfrastrukur im Bereich E-Mobilität. Daher wird bereits u. a. eine Spannungserhöhung auf 800 V bis 1000 V verfolgt, um die gleiche Energie bei gleichem Strom schneller zu übertragen. Mittels gekühlter Ladestecker ist mit künftigen Batterietechnologien aus heutiger Sicht eine Ladestromerhöhung auf 350 A möglich. Das bedeutet: Mit einer 1000 V Ladespannung kann innerhalb von etwa 11 Minuten Ladezeit eine Reichweite von 400 km erreicht werden.

Abb. 1: Ladezeiten für 400 km Fahrstrecke in Abhängigkeit von der möglichen Ladeleistung

Höhere Leistungen für Schnellladestationen

Künftige Schnellladesäulen müssen somit Ladeleistungen bis 350 kW oder mehr bieten und das Aufladen von Fahrzeugbatterien mit unterschiedlichen Batteriespannungen und -kapazitäten gewährleisten.

Leistungsstarke Multipoint-Ladestationen für den elektrischen Fernverkehr mit mehreren dieser Ladesäulen werden deshalb einen eigenen Mittelspannungsanschluss benötigen. Im Gegensatz zu AC-Ladestationen, die über viele Stunden mit dem Fahrzeug verbunden sind, ist die Rückspeisefähigkeit aus der Fahrzeugbatterie ins Energienetz (V2G-Funktion) nicht notwendig. Strom fließt ausschließlich vom Versorgungsnetz zur Fahrzeugbatterie.

Für eine hohe Netzfreundlichkeit, ein Spitzenlastmanagement und die Überbrückung kurzer Netzausfälle können diese Ladestationen optional z. B. die Einbindung von Batteriespeichern und Solarkraftwerken bieten. Sollen diese auch zur Stützung des Versorgungsnetzes beitragen, muss die Ladestation mit einem rückspeisefähigen (AFE: Active Front End) Netzgleichrichter ausgestattet sein.

Abb. 2: Prinzipschaltbild einer Ladestation mit mehreren DC-Schnellladesäulen

Topologien der Ladeinfrastruktur

Die am meisten verbreitete Topologie für Ladestationen mit mehreren DC-Ladesäulen umfasst einen zentralen Anlagenteil mit 50 Hz Transformator, das Eingangsfilter zur Reduzierung von Oberschwingungen und zur Blindleistungskompensation sowie den netzseitigen Gleichrichter. Jede Ladesäule beinhaltet zudem einen fahrzeugseitigen DC-DC Wandler zur Anpassung und Regelung der Ladeparameter.

Sollen einzelne Ladesäulen autark an das Energienetz angeschlossen werden, müssen auch Netztransformator, Eingangsfilter und Netzgleichrichter in der Ladesäule integriert sein.

Abb. 3: AFE Netzgleichrichter

Active Frontend Netzgleichrichter

Zur Minimierung von Netzrückwirkungen kann der Netzgleichrichter auch ohne Netzrückspeisung aus optionalen Energiespeichern als AFE-Gleichrichter mit IGBTs ausgeführt werden. Da dieser als Hochsetzsteller arbeitet, sind in den Ladesäulen nur Tiefsetzsteller erforderlich, auch wenn aus niedrigen Eingangsspannungen hohe Batteriespannungen erzeugt werden müssen.

Abb. 4: DC-DC Wandler mit Potenzialtrennung (Dual Active Bridge)

DC-DC Wandler mit Potenzialtrennung

Um den Isolationsaufwand in den Fahrzeugen gering zu halten, muss die Ladespannung von der Versorgungsspannung galvanisch isoliert sein. In Ladesäulen mit eigenem Netzanschluss kann das - wie in Bild 2 dargestellt - durch den Netztransformator erfolgen. Alternativ bietet eine Potenzialtrennung innerhalb der DC-DC Wandler den Vorteil, dass durch hohe Schaltfrequenzen sehr kleine Transformatoren einsetzbar sind.

Bei Ladesäulen in einer Ladestation mit zentralem Gleichrichter ist dies unumgänglich. Ein weiterer Vorteil einer hohen Schaltfrequenz im DC-DC-Wandler ist der mit Erhöhung der Schaltfrequenz sinkende Glättungsaufwand am batterieseitigen Ausgang.

Abb. 5: Prinzipschaltbild der Energieübertragung beim kabellosen Laden

Kabelloses Laden

Mittels induktiver Energieübertragung über einen Luftspalt zwischen zwei sich gegenüberliegenden Schwingkreisen im Resonanzbetrieb kann der Ladevorgang auch kabellos erfolgen. Die Primärwicklung befindet sich im Boden, die Sekundärwicklung an der Unterseite des Fahrzeugs. Da der Luftspalt 150 mm und mehr betragen kann, erfolgt die Energieübertragung mit Frequenzen zwischen einigen zehn bis über 100 kHz. Eine mögliche Topologie zur Energieübertragung enthält je eine hochfrequent schaltende H-Brücke in der Ladestation und im Fahrzeug.

Stehen Primär- und Sekundärspule dicht genug übereinander, arbeiten beide H-Brücken im Resonanzbetrieb. Übertragbare Leistung und Wirkungsgrad werden durch die mögliche Wicklungsdurchflutung sowie durch die Güte und den Koppelfaktor der Schwingkreise begrenzt. Da diese in heutigen Anwendungen für PKW unter 20 kW bei etwa 80 % Wirkungsgrad liegt, ist der technische Aufwand deutlich höher als beim kabelgebundenen Laden. In Anwendungen für PKW werden heute um die 10 kW mit etwa 80 % Wirkungsgrad erreicht, was – neben dem im Vergleich zum kabelgebundenen Laden deutlich höheren technischen Aufwand – dafür sorgt, dass das kabellose Laden derzeit noch eine Nischenlösung ist.

SEMIKRON-Produkte für DC-Schnellladesäulen