Ladeinfrastruktur Mittelspannungs-Systemtechnik für zukünftige Schnellladestationen

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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Metrofunk Kabel-Union GmbH

Ladestationen müssen in Zukunft 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 wurde die Mittelspannungs-Systemtechnik für zukünftige Schnellladestationen entwickelt, die Spitzenlasten von mehreren Megawatt ermöglichen.

Mit der Anzahl an E-Fahrzeugen in Deutschland steigt der Bedarf an Schnellladestationen, die ähnlich wie heutige Tankstellen eine große Anzahl an Fahrzeugen gleichzeitig bedienen können. Diese werden insbesondere an den Autobahnen, aber auch in städtischen Parkhäusern und -plätzen erforderlich. 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. Weil das elektrische Laden langsamer verläuft als der Tankvorgang, sind an Tankstellen in Zukunft 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 MW 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. Auch die Verteilung innerhalb der Tankstelle oder des Parkhauses sollte nicht im Niederspannungsnetz erfolgen, weil die langen Kabelwege – nämlich bei 25 Ladepunkten 100 Meter und mehr – sowie die hohen Leistungen zu hohen Installationskosten und hohen Verlusten in den Kabeln führen.

Kupferverbrauch reduzieren

Das im Projekt mit den Partnern Fraunhofer ISE, Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG und AEG Powersolutions GmbH entwickelte leistungselektronische System für Ladestationen setzt daher auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem Gleichrichter auf einer Spannung von 1.500 VDC betrieben wird. Die höhere Spannungsebene führt zu einer höheren Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass der Kabelquerschnitt größer werden muss. Durch den niedrigeren Kupferverbrauch wird ein wesentlicher Beitrag zum Umwelt- und Ressourcenschutz geleistet. 1.500 VDC wählte man, weil das die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. In Folgeprojekten ist geplant, die Spannung darüber hinaus zu steigern.

Modularer Ansatz für unterschiedlich große Ladestationen

Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das DC-Verteilnetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Gleichstromwandler mit einer Leistung von je 175 kW sind so konzipiert, dass sie sich im System problemlos parallelschalten lassen. Dieser modulare Ansatz ermöglicht es, Ladestationen mit niedriger Leistung für Pkw sowie Stationen mit größerer Leistung für Lkw zu bauen.

Im Gegensatz zur heimischen Wallbox müssen Ladestationen hochgradig kompatibel für verschiedene Fahrzeugtypen sein. Das im Projekt entwickelte Konzept mit einem zentralen Gleichrichter und einer 1500-Volt-DC-Verteilung hat den Vorteil, dass die Netzanschlusskomponenten, wie 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 wird der Materialbedarf im Vergleich zu aktuellen Lösungen deutlich reduziert.

Für einen unkomplizierten Ladeprozess soll die Station mit den in Europa dominierenden Standards Combined Charging System (CCS) 1 und 2 voll kompatibel sein, d.h. für Stromstärken bis 500 A und eine Spannung bis 1.000 V in den Fahrzeugen. Darüber hinaus soll das Konzept auch den Megawatt-Charging-System-Standard unterstützen. Für diesen ist eine zweite Umrichtermodul-Variante geplant, für die lediglich einige Komponenten angepasst werden müssen. (se)

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