Fast Charge – Wie sich E-Autos in 15 Minuten voll aufladen lassen

Schnellladen ist eine wichtige Voraussetzung für die breite Akzeptanz der Elektromobilität. Wie die Steigerung der Ladeleistung auf 450 kW funktioniert, zeigte das Projekt Fast Charge.

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Fujitsu Technology Solutions GmbH

PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

Die am Forschungsprojekt FastCharge beteiligten Industrieunternehmen haben die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der schnellen und komfortablen Energieversorgung von Elektrofahrzeugen im bayerischen Jettingen-Scheppach präsentiert: An der A8 zwischen Ulm und Augsburg wurde im Dezember 2018 der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung bis zu 450 kW eingeweiht.

Elektro-Forschungsfahrzeuge aus diesem Projekt erzielen an dieser Ultra-Schnellladestation Ladezeiten von weniger als 3 min für die ersten 100 km Reichweite bzw. 15 min für einen vollen Ladevorgang (10 bis 80 % State of Charge (SOC)).

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Im Rahmen von FastCharge wird untersucht, welche technischen Voraussetzungen an Fahrzeugen und Infrastruktur erfüllt werden müssen, um die extrem hohen Ladeleistungen einsetzen zu können. Die Basis bildet eine leistungsstarke Ladeinfrastruktur.

Das im Projekt eingesetzte Energieversorgungssystem von Siemens ermöglicht es, die Grenzen der Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterien zu erproben. Es kann schon heute mit höheren Spannungen bis zu 920 V arbeiten, die bei zukünftigen Elektrofahrzeugen erwartet werden.

Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse

In das System wurden sowohl die Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse als auch die Kommunikationsschnittstelle zu den Elektrofahrzeugen integriert. Der Lade-Controller passt die abzugebende Leistung automatisch an, so dass verschiedene Elektroautos mit einer Infrastruktur geladen werden können.

Mit der flexiblen, modularen Architektur des Systems lassen sich mehrere Fahrzeuge simultan laden. Dank der hohen Stromstärken und Spannungen sind zahlreiche unterschiedliche Einsatzgebiete, beispielsweise für Flottenladelösungen oder, wie im Fall auf der A8, das Laden an Autobahnen, möglich.

Für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz in Jettingen-Scheppach wurde im Projekt ein Ladecontainer mit zwei Ladeanschlüssen realisiert: Ein Anschluss hat eine Ladeleistung von max. 450 kW, der Zweite gibt bis zu 175 kW ab. Beide Ladesäulen können ab sofort kostenlos mit allen CCS-fähigen Fahrzeugen genutzt werden.

Konstruktion und Kühlung von Ladestecker und Ladekabel

Die jetzt vorgestellten Ladesäulen-Prototypen von Allego nutzen die Ladestecker des bewährten Combined Charging System (CCS) in der Typ-2-Variante für Europa. Dieser Ladestandard hat sich bei zahlreichen elektrifizierten Fahrzeugen bewährt und ist in weiten Teilen der Erde verbreitet.

Um den beim schnellen Aufladen mit besonders hoher Leistung auftretenden thermischen Problemen entgegenzuwirken, kommen gekühlte HPC-Ladekabel und -Steckverbinder (High Power Charging) von Phoenix Contact zum Einsatz, welche vollständig CCS-kompatibel sind.

Der Grund ist einfach: Je höher die Spannung und die Stromstärke (bis 920 V / 500 A) sind, desto mehr Wärme entsteht. Deshalb müssen die Systeme gekühlt werden. Als Kühlflüssigkeit wird ein umweltfreundliches Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, wodurch der Kühlkreislauf halboffen gestaltet werden kann.

Dadurch ist die Wartung im Gegensatz zu hermetisch geschlossenen Systemen, die mit Öl arbeiten, vergleichbar einfach, beispielsweise wenn Kühlflüssigkeit nachgefüllt wird.

Eine Herausforderung bei der Entwicklung der Ladesteckverbinder bestand darin, die in der Ladeleitung befindlichen Kühlschläuche beim Anschließen an die Ladesäule nicht zu quetschen. Das würde mit einer herkömmlichen Kabelverschraubung passieren. In diesem Fall würden der Kühlfluss und damit die Kühlleistung beeinträchtigt werden.

„Verpackung“ der Kühlschläuche

Dieses Problem wurde von Phoenix Contact gelöst durch eine speziell entwickelte Wanddurchführung mit definierten Schnittstellen für Leistungsübertragung, Kommunikation und Kühlung sowie integrierter Zugentlastung. Die Einrichtungszeit einer HPC-Ladestation entspricht fast der von herkömmlichen E-Tankstellen.

Ladekabel an öffentlichen E-Tankstellen sind zudem starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt – etwa wenn sie fallen gelassen oder überfahren werden. Das Steckgesicht wird dabei am meisten beansprucht und auch geschädigt.

Daher wurde der HPC-Stecker so entwickelt, dass sich Steckgesichtsrahmen und Leistungskontakte schnell austauschen lassen. Die Reparatur ist somit einfach und zeitsparend, sodass Ausfallzeiten der Ladesäulen minimiert werden und ein kostspieliger Austausch des gesamten Ladekabels vermieden wird.

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