Verbindungstechnik als Leistungsfaktor Elektroautos fast so schnell laden wie tanken

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Durch High Power Charging, kurz HPC, werden immer kürzere Ladezeiten erreicht. Elektrofahrzeuge mit 800-Volt-Technologie können an speziellen Ladesäulen Ladeleistungen von über 300 kW aufnehmen. Verbindungstechnik spielt für die Übertragung dieser hohen Leistungen eine entscheidende Rolle.

Kurze Ladezeiten sind ein zentrales Versprechen von Politik und Industrie, um die Akzeptanz der Elektromobilität zu steigern. Schnellladesäulen erreichen kürzere Ladezeiten durch höhere Ströme und Spannungen. Das erfordert ein perfekt abgestimmtes System aus Leistungselektronik und elektrischer Verbindungstechnik wie Anschlussklemmen, Ladekabel und Stecker.

800 V und SiC: Treiber fürs Schnellladen

Die Leistungselektronik in der Ladesäule übernimmt die notwendige Wandlung der Netzeinspeisung mit 400 V Wechselspannung (AC) in den zur Batterieladung erforderlichen Gleichstrom (DC). Um kurze Ladezeiten zu erreichen, steigert sich die Spannungsebene der Stromer zunehmend von 400 auf 800 V. Die Leistungselektronik entwickelt sich stetig weiter. In Schnellladesäulen werden zunehmend neue Halbleiter aus Siliziumkarbit (SiC) eingesetzt. SiC-Halbleiter schalten deutlich schneller als herkömmliche Silizium-MOSFETs und IGBTs. Dadurch sinkt die Verlustleistung und die Kühlsysteme können deutlich kleiner ausgelegt werden. Zudem ermöglichen höhere Schaltfrequenzen kleinere passive Bauteile wie Spulen und Kondensatoren.

Die neue Technik macht Ladesäulen also kleiner, kühler und deutlich leistungsstärker. Damit steigen jedoch die Anforderungen an die elektrische Verbindungstechnik.

Anforderungen an die Verbindungstechnik

Der DC-Ausgang der einzelnen Leistungsmodule wird in der Ladesäule über Steckverbinder oder Hochstromklemmen parallelgeschaltet. Die gesamte Ausgangsleistung wird an das Ladekabel übertragen. Das Ladekabel führt die maximale Leistung über den Ladestecker ins Fahrzeug. Die Steckverbinder und Hochstromklemmen müssen also einen möglichst kompakten Anschluss der Leistungsmodule ermöglichen. Der Ladekabelanschluss führt die gesamte Leistung und muss einen sicheren Anschluss für höchste Ströme sicherstellen.

Für die Verkabelung kommen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen Kupferleiter zum Einsatz. Der Leitwert von Kupfer liegt bei 56 MS/m. Wenn nun der Ladestrom steigt, müsste also der Kupferquerschnitt entsprechend vergrößert werden. In der Ladeinfrastruktur kann der Kupferquerschnitt jedoch nicht einfach erhöht werden. Die kleineren Leistungsmodule bieten kaum Raum für einen größeren Anschlussquerschnitt. Das Ladekabel soll möglichst leicht und flexibel sein, um den Ladevorgang so komfortabel wie möglich zu gestalten. Die weltweit eingesetzten Ladestecker sind zudem standardisiert und auch in der Geometrie weitgehend beschrieben nach der IEC 62196-1 CCS 1 sowie SAE J3400 NACS (USA), CCS 2 (Europa) und GB/T 20234 (China). Die Lösung ist eine höhere Ladeleistung durch den Boost Mode.

500 kW Ladeleistung im Boost Mode

DC-Ladekabel werden nach IEC 62196-1 auf einen definierten Nennstrom IN für den Dauerbetrieb bei Umgebungstemperaturen von –30 bis +40 °C ausgelegt. Im Boost Mode können einige DC-Ladekabel kurzzeitig deutlich höhere Ladeleistungen führen.

Die mögliche Dauer, ein Ladekabel im Boost Mode zu betreiben, hängt von zahlreichen Betriebsbedingungen ab, wie der Umgebungstemperatur, der Frequentierung des Ladepunkts und Auslegung der Fahrzeugladedose, auch Inlet genannt. Hersteller und Betreiber von Ladestationen, die Gebrauch vom Boost Mode machen, müssen zwingend eine kontinuierliche Temperaturüberwachung an den DC-Leistungskontakten mithilfe der integrierten Temperatursensorik durchführen. Nach IEC 62196-3 muss bei Erreichen der Grenztemperatur Tmax von +90 °C der Ladevorgang abgebrochen werden. Bei Annäherung an die Grenztemperatur empfiehlt es sich, den Ladestrom vorzeitig, zum Beispiel auf den Nennstrom IN, zu reduzieren. Man spricht in diesem Fall von Derating.

Auch die Anschlussklemmen des Ladekabels in der Ladestation müssen für den Boost-Strom ausgelegt sein. Auch bei der Anschlussklemme hängt der maximale Boost-Strom von Faktoren wie Umgebungstemperatur und Einbaulage ab. Bei fremdbelüfteten Geräten spielt zudem der durch die Lüfter erzeugte Volumenstrom eine Rolle.

T-LOX-Hochstromklemme

Die T-LOX-Hochstromklemme verbindet die Vorteile der Schnellanschlussklemme mit dauerhaft hoher Kontaktkraft und geringem Durchgangswiderstand. Durch die werkzeuglose Hebeltechnik können Leitungen bis zu 95 mm² in Sekunden angeschlossen werden. In Verbindung mit dem ungekühlten HPC-Ladekabel Charx PT2C-DC 375 können somit 500 kW im Boost Mode übertragen werden. Durch den Entfall der Flüssigkeitskühlung kann zudem die Kühleinheit entfallen und die Wartungsaufwände werden reduziert.

Auf Basis von Laborprüfungen unter realen Bedingungen hat Phoenix Contact eine Thermosimulation entwickelt. Damit kann die maximale Dauer für den erforderlichen Boost-Strom von Ladestecker und Anschlussklemme ermittelt werden. Für die Kombination aus dem Ladekabel Charx PT2C-DC 375 mit CCS-2-Stecker und dem T-LOX-Ladekabelanschluss kann ein Boost-Strom von 500 Ampere 42 Minuten geführt werden (Bild 1).

Hinweis: Schraubklemmen und schraubenlose Klemmstellen wie die T-LOX werden nach der DIN EN IEC 60947-7-1 zugelassen. Die normativen Prüfströme richten sich dabei nach dem Kupferquerschnitt. Bei der TW 95 beträgt der maximale Kupferquerschnitt 95 mm² und der Prüfstrom 232 A nach Norm. Wie in der konkreten Anwendung ersichtlich, lassen sich in DC-Schnellladesäulen sogar mit kleineren Querschnitten deutlich höhere Ströme erreichen. Für die Entwickler der Ladegeräte sind daher Angaben über den erreichbaren Boost-Strom aussagekräftiger als die Stromangabe nach der Komponentennorm. Die aufgeführte Lösung mit maximal 500 kW im Boost Mode reicht selbst zum Laden von Elektroautos mit höchster Ladeenergie.

Unter den von P3 Charging Index 12/2024 getesteten Elektroautos erreichte der Porsche Taycan die höchste Ladeenergie (282 kW im Durchschnitt, 325 kW Peak) und schaffte eine Ladung von 10 auf 80 Prozent (State of Charge, SoC) innerhalb von ca. 18 Minuten.

Für die unterschiedlichen Funktionseinheiten einer Schnellladesäule bietet Phoenix Contact ein durchgängiges Produktportfolio (Bild 2 und Bild 3). Die Netzeinspeisung und Verteilung der Energie auf die einzelnen Leistungsmodule erfordern hohe Ströme und Querschnitte. Der Anschluss erfolgt vor Ort bei der Inbetriebnahme der Ladestation. Die intuitive, sichere Schnellanschlusstechnik der PT Power-Reihenklemmen spart Zeit und sorgt für einen dauerhaft zuverlässigen Anschluss bis 150 mm².

Zum Anschluss der DC-Ladesteuerung sind häufig über 50 Leiter mit einem Querschnitt ≤ 2,5 mm² zu kontaktieren. Das sollte möglichst schnell und sicher erfolgen. Die Push-X-Steckverbinder XPC 1,5 und XPC 2,5 bieten hierzu einen komfortablen schnellen Anschluss aller Leiterarten sogar für flexible Leiter ohne Aderendhülse. Die akustische und visuelle Rückmeldung bestätigt dem Anwender den korrekten Anschluss.

Der Gleichstrom-Energiezähler EEM-PM157-SLP ermöglicht die eichrechtskonforme Messung bis 650 Ampere und 1.000 V DC in kompakter Bauform bei einer Betriebstemperatur bis +80 °C.

Das gekühlte DC-Ladekabel im CCS-2-Ladestandard Charx connect professional erreicht eine Ladeleistung bis zu 1000 kW im Boost Mode. Damit sind auch viele elektrische Nutzfahrzeuge, die mit ihren großen Akkus hohe Ladeleistungen benötigen, schnell wieder einsatzbereit.

Primär getaktete Stromversorgungen der Baureihe Quint Power mit wählbarer Ausgangskennlinie, SFB-Technology (Selective Fuse Breaking) und NFC-Schnittstelle sorgen für eine sichere Verfügbarkeit der Ladestation.

Gemäß DIN VDE 0100-722 in Verbindung mit DIN VDE 0100-443 ist für die Errichtung von Ladeinfrastruktur ein Schutz gegen transiente Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen zwingend vorzusehen. Mit dem Überspannungsschutzgerät VAL-MB Typ 1/2 werden Gleichstromsysteme wie DC-Ladestationen optimal geschützt. (se)

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