Elektrische Fahrzeuge bieten immer größere Reichweiten

Der Markt für elektrische Straßenfahrzeuge wird kontinuierlich wachsen und auch ausschließlich batteriebetriebene PKW werden in diesem Zuge immer größere Reichweiten bieten.

Eine wesentliche Voraussetzung für diese Entwicklung sind nicht nur Antriebe mit hohem Wirkungsgrad und möglichst leichte Fahrzeugbatterien mit großer Speicherkapazität, sondern auch eine flächendeckende Ladeinfrastruktur mit Lademöglichkeiten auf privaten und öffentlichen Stell- und Parkplätzen, z.B. an innerstädtischen oder stadtnahen Einkaufs- und Gewerbezentren sowie an „Stromtankstellen“, d. h. Ladestationen mit mehreren Schnellladesäulen an Hauptverkehrswegen, wie Autobahnen und Fernstraßen.

Ladestation mit mehreren Schnellladesäulen

Ladestation mit mehreren Schnellladesäulen

„Laden wie Tanken“ ist eine zentrale Zielsetzung, die für die Akzeptanz eines rein elektrischen Fernverkehrs besonders wichtig ist. Daher dürfen Ladeprozesse unterwegs nur wenige Minuten dauern, was eine Schnelllade-Infrastruktur erfordert, die dem heutigen Tankstellennetz für fossile Kraftstoffe möglichst nahekommt. Ladestationen mit Schnellladesäulen sind deshalb das Marktsegment der Ladeinfrastruktur, das im Vergleich die leistungsfähigsten Halbleitermodule benötigt.

Schnellladesäulen dienen aufgrund der Begrenzung des Ladestroms durch die Batterietechnologie in erster Linie nicht der vollständigen Aufladung der Batterie, sondern dem schnellen Zwischenladen und somit der Reichweitenverlängerung des Fahrzeugs. Ladeströme über 150 A sind mit heutiger Batterietechnologie nur auf Kosten der Lebensdauer der Batterie möglich. Zusätzlich muss die Ladestromstärke mit steigendem Füllstand der Batterie (State of Charge, SoC) abgesenkt werden. Dies begrenzt – bei heutigen Batterietechnologien – die schnelle Zwischenladung auf den Bereich von 30% bis etwa 80% der Batteriekapazität. Das Vollladen während längerer Standzeiten des Elektrofahrzeuges muss deshalb das Schnelladen ergänzen.

Kurze Ladezeiten mittels Leistungselektronik

Für kurze Ladezeiten unter 30 Minuten ist bereits bei einer Batteriekapazität von etwa 20 kWh eine Ladeleistung von 40 kW notwendig. Die bei niedrigeren Leistungen eingesetzte, meist aus dem 230 V-Netz gespeiste „On-board“- Ladetechnik mit AC/DC Wandler ist aufgrund der notwendigen Leistung für das Schnellladen nicht mehr wirtschaftlich . Oberhalb von etwa 22 kW Ladeleistung werden deshalb DC-Schnellladesäulen favorisiert, bei denen die zum Laden notwendige Gleichspannung „off-board“ aus dem AC-Energieversorgungsnetz erzeugt wird. Für solche Schnellldesäulen sind moderne Leistungshalbleitermodule zwingend erforderlich.

Langjährige Erfahrung bei Energiewandlern

SEMIKRON besitzt langjährige Erfahrungen im Bereich der Leistungsmodule für die unterschiedlichsten Energiewandler von wenigen kW bis zu mehreren MW, wie z. B. für Solar- und Windenergienutzung, Power Quality sowie in Elektrofahrzeugen.

Leistungshalbleiter sind das Herzstück von Schnellladesäulen

Mit modernen Leistungshalbleitern kann Strom netzfreundlich entnommen und der Ladestrom bedarfsgerecht geregelt werden. Damit lässt sich die optimale Balance zwischen Ladezeit und batterieschonenden Ladestrategien erreichen. Hohe mögliche Schaltfrequenzen mit neuesten Halbleiterchips aus Silizium oder Siliziumkarbid sowie spezielle Modultopologien tragen hierzu bei und ermöglichen den Einsatz platzsparender passiver Komponenten.
Die Eigenschaften heutiger Leistungsmodule lassen es zu, aus einem zentralen Netzumrichter alle am jeweiligen Standort notwendigen Ladesäulen zu versorgen.

Schlüsselkomponenten künftiger Elektromobilität

Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die Mobilität der Zukunft auf Basis von hybrid- und vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Dabei müssen Schnellladesäulen im Freien ohne Aufsicht möglichst 20 Jahre lang zuverlässig und sicher arbeiten. Anforderungen an die Leistungshalbleitermodule bestehen deshalb nicht nur in niedrigen Verlusten und Modultopologien, die kleine Abmessungen der Ladesäulen ermöglichen, sondern auch in höchster Zuverlässigkeit in einem weiten Temperaturbereich bei möglichst niedrigen Kosten. Ausfälle größerer Systeme in einer „Stromtankstelle“ an der Autobahn können dazu führen, dass Fahrzeuge liegen bleiben. Verglichen mit Benzin- oder Dieseltankstellen sind hier die Auswirkungen dramatischer, da die Energiereserven im Elektrofahrzeug kleiner sind und das Ladestationsnetz grobmaschiger ist.

SEMIKRON wendet in Leistungsmodulen Aufbau- und Verbindungstechnologien mit Löt-, Sinter-, Druck- oder Federkontakten an. Diese Technologien erfüllen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit beim Einsatz in Ladestationen in idealer Weise . Zur Verfügung stehen konventionelle IGBT-Module, SKiiP-IPM, Leistungsmodule mit Dioden und Thyristoren, diskrete Halbleiter sowie montierte und geprüfte Ready-to-use-Leistungsbaugruppen. Um Baugruppen mit hohen Schaltfrequenzen bereitstellen zu können, fertigt SEMIKRON sowohl Module mit schnellschaltenden Chips in Silizium- und Siliziumkarbidtechnologie, als auch Module in 3-Level NPC- und TNPC-Topologie.

SEMIKRON-Produkte für DC-Schnellladesäulen