Elektromobilität Projekt DCI4Charge: Ladeinfrastruktur in industrielle DC-Netze integrieren

Wie sich Ladeinfrastruktur intelligent in industrielle Gleichspannungsnetze integrieren lässt, hat das Konsortialprojekt „DCI4Charge“ demonstriert: Die Batterien von Elektrofahrzeugen dienen als flexible Notfallreserve und helfen Lastspitzen abzufedern – ohne die Netzstabilität zu gefährden.

 (se)Die Energiekosten sind in der Produktion weiterhin ein entscheidender Faktor. Gleichzeitig wächst mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen die Zahl der Ladepunkte. Wie lässt sich nun diese Ladeinfrastruktur intelligent in industrielle Gleichspannungsnetze integrieren? Das untersuchten das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB), Ambibox, Eaton, Weidmüller, die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL ) und als assoziierte Partner Bäumer, Danfoss, die Maschinenfabrik Reinhausen, die Universität Stuttgart und Innelekt im Projekt „DCI4Charge“. Ein zentraler Anwendungsfall im Rahmen dessen ist der „DC Innovation Hub“ in der Weidmüller Akademie in Detmold. Dort wird ein Gleichstromnetz betrieben, in dem Strom aus erneuerbaren Quellen im DC-Verbund effizient integriert und jetzt auch mit Elektrofahrzeugen gespeichert und genutzt werden kann.

Energieeffizienz steigern dank Gleichspannung

Ausgangspunkt des Projekts war die Frage, wie sich Ladeinfrastruktur effizient in industrielle Gleichstromnetze (DC-Netze) integrieren lässt, um Energiekosten zu senken und einen kostenintensiven Netzausbau zu vermeiden. In herkömmlichen Szenarien werden Ladesäulen über das Wechselstromnetz versorgt, jeder Wandlungsschritt verursacht Verluste. „Wenn wir die Ladeinfrastruktur direkt an das unternehmensinterne Gleichspannungsnetz anbinden, vermeiden wir diese Umwege“, erklärt Dietmar Hölderle, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsteam Industrielle Mikronetze am Fraunhofer IPA. „Gleichzeitig können wir die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterien als virtuelle Batterie einbinden und Verbrauchsspitzen glätten.“

Dafür haben die Projektpartner ein detailliertes elektrisches Modell des DC-Netzes und der Ladeinfrastruktur sowie ein Software-gestütztes Energiemanagementsystem entwickelt. Es berücksichtigt neben Erzeugung und Verbrauch auch betriebliche Randbedingungen, wie Mindestladezustände. Simulationen zeigten: Die Sekundärregelung im DC-Netz hält die Spannung stabil, während die Fahrzeuge gleichzeitig als flexible Batterie genutzt werden können – etwa, um bei hohen Strompreisen Energie aus den Fahrzeugbatterien bereitzustellen oder Lastspitzen zu reduzieren.

Leistungswandler als Herzstück

Damit Energie aus dem DC-Netz bedarfsgerecht in die Batterien fließen und bei Bedarf zurückfließen kann, bilden leistungselektronische Wandler das Herzstück der Infrastruktur. Das Fraunhofer IISB entwickelte galvanisch trennende DC/DC-Wandler, die die Spannung aus dem industriellen Gleichspannungsnetz auf das Niveau der Fahrzeugbatterien anpassen. Anders als beim Stand der Technik üblich, wurde hierbei ein einstufiges System umgesetzt. Eine Wandlerstufe stellt somit sowohl die galvanische Trennung sicher, und regelt gleichzeitig die Netzspannung auf die vom Fahrzeug benötigte Spannung um. Um diese Einsparungen in der Hardware zu erzielen, hat das Fraunhofer IISB eine geschickte Regelungsstrategie entwickelt und umgesetzt, die auch mit unterschiedlichen Fahrzeugklassen und somit einem sehr breiten Spannungsbereich stabil arbeitet.

Die DC/DC-Wandler haben die Projektpartner aufgebaut, im Labor vermessen und anschließend in einem industriellen Gleichspannungsnetz getestet. Dabei wurden Effizienz, thermisches Verhalten und Regelgüte untersucht. Das Ergebnis: Die Wandler arbeiteten dynamisch, stabil, erreichten hohe Wirkungsgrade und gewährleisteten eine sichere elektrische Trennung zwischen Unternehmensnetz und Fahrzeugbatterie bei gleichzeitiger Reduktion der benötigten Komponenten. Sie bilden damit eine praxisnahe Grundlage für eine flexible DC-Ladeinfrastruktur.

Virtuelle Batterien

Auf Systemebene entwickelte das Fraunhofer IPA ein Energiemanagement sowie ein Simulationsmodell, das die elektrischen Komponenten des DC-Netzes abbildet und energieflexible Betriebsstrategien ermöglicht. Untersucht wurde vor allem, wie sich Lade- und Entladestrategien auf die Netzstabilität und die Spannungshaltung auswirken.

Das Fraunhofer IPA und die TH OWL validierten das Modell im Labor: In einem Testnetz wurden verschiedene Szenarien nachgebildet. Das DC-Netzmodell zeigte eine hohe Übereinstimmung mit den Messdaten aus dem Labor und wurde erfolgreich validiert. Damit steht ein belastbares Simulationsmodell zur Verfügung, das für die Auslegung, Analyse und Weiterentwicklung zukünftiger DC-Netze genutzt werden kann. Parallel wurde das Energiemanagement integriert. Es steuert die Lade- und Entladevorgänge der angeschlossenen Elektrofahrzeuge automatisiert und berücksichtigt technische und betriebliche Vorgaben.  (se)

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