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Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge: Die Ladekonzepte

| Autor / Redakteur: Markt Patrick* / Benjamin Kirchbeck

Durch die Verbesserungen bei der Batteriekapazität von E-Autos und der Tatsache, dass nur wenige Menschen regelmäßig Fahrten unternehmen, die die maximale Reichweite der heutigen Fahrzeuge überschreiten, ist das oft zitierte Problem der Reichweitenangst zunehmend kein Thema mehr. Entscheidend ist viel mehr die Frage, wie geladen werden soll.

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Bei der DC-Schnellladung gibt es einige große Herausforderungen bei der Wärmeableitung, selbst bei einem Wirkungsgrad von 97 % oder mehr.
Bei der DC-Schnellladung gibt es einige große Herausforderungen bei der Wärmeableitung, selbst bei einem Wirkungsgrad von 97 % oder mehr.
(Bild: Mouser)

Fossile Brennstoffe haben sich als Energiequelle für Autos mehr als ein Jahrhundert lang bewährt. Diese Zeit war von bedeutenden technologischen und infrastrukturellen Entwicklungen geprägt, die dazu geführt haben, dass heute nur wenige Autofahrer ihre Fahrten um Tankstopps herum planen. Moderne Autos mit Verbrennungsmotor legen mit einer einzigen Tankfüllung bequem mehrere hundert Kilometer zurück, das Auftanken dauert nur wenige Minuten und Tankstellen gibt es in Hülle und Fülle.

Elektrofahrzeuge sind anders: Batterien haben normalerweise Kapazitäten im zweistelligen Kilowattstundenbereich – im oberen Marktsegment auch im dreistelligen Bereich. Für einen vollständigen Ladevorgang, der mit dem Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor vergleichbar ist, sind zwei Dinge erforderlich: eine Technologie, die in der Lage ist, diese große Energiemenge innerhalb von wenigen Minuten bereitzustellen, und Batterien, die für diese hohen Ladeströme ausgelegt sind.

Die tägliche Anwendungsrealität zeigt uns, dass es heute am sinnvollsten ist, Elektrofahrzeuge dann aufzuladen, wenn sie längere Zeit nicht in Betrieb sind, anstatt mitten auf der Fahrt anzuhalten, wenn der Tank leer ist, wie wir es bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor gewohnt sind. Das bedeutet, dass wir Ladestationen an den Orten benötigen, an denen wir unsere Fahrzeuge am häufigsten abstellen: zu Hause, auf öffentlichen Parkplätzen und auf Büroparkplätzen.

Laden von Elektrofahrzeugen

Um ein Elektrofahrzeug aufzuladen, muss – unabhängig vom Modell – Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) umgewandelt werden. Der grundlegendste Ansatz ist ein AC/DC-Wandler im Fahrzeug, mit dem selbst eine einphasige Ladestation zu Hause das Fahrzeug mit bis zu 7,4 kW aufladen kann. Bei einem Elektrofahrzeug wie dem neuen Renault Zoe mit einer 52-kWh-Batterie kann der Ladevorgang dennoch achteinhalb Stunden dauern].

Leistungsstärkere DC-Ladestationen liefern eine Ladeleistung von 22 kW, was den Ladevorgang deutlich beschleunigt. Für den bereits erwähnten Renault Zoe gibt der Hersteller an, dass an einer 22-kW-Ladestation innerhalb von zwei Stunden eine Reichweite von rund 275 km geladen werden kann. Noch schneller geht es an 43-kW-DC-Ladestationen, wobei das Elektrofahrzeug hierbei für die hohe Ladeleistung ausgelegt sein muss.

Da viele Fahrzeuge auf Parkplätzen stehen, während ihre Besitzer arbeiten oder einkaufen, sind die Ladeleistungen der DC-Ladestation mit 22 und 43 kW für die meisten Fahrer akzeptabel.

Fahrstrecke und DC-Schnelllader

Eine kürzlich durchgeführte europäische Studie untersuchte das Fahrverhalten in Frankreich, Deutschland, Italien, Polen, Spanien und dem Vereinigten Königreich und stellte fest, dass die durchschnittliche Fahrstrecke der Autofahrer in den einzelnen Ländern zwischen etwa 40 km pro Tag im Vereinigten Königreich und 80 km pro Tag in Polen beträgt und sich in der Regel auf zwei oder drei Fahrten verteilt. Wenn man diese Strecke mit einem Elektrofahrzeug wie dem aktuellen Nissan Leaf zurücklegt, der mit einer Ladung eine Reichweite von bis zu 270 km bietet, bedeutet dies, dass viele Menschen mehrere Tage mit ihrem Fahrzeug fahren können, bevor es wieder aufgeladen werden muss. Eine Herausforderung ergibt sich bei längeren Fahrten, wie z. B. dem Familienurlaub. Ein paar Stunden Ladezeit alle 200 km verlängert die Fahrzeit erheblich.

DC-Schnelladestationen sind die Lösung. Die aktuellen Spezifikationen definieren einen maximalen Leistungsbereich von 350kW bei bis zu 920V. Je nach Elektrofahrzeug kann ein solches Ladegerät in weniger als 10 Minuten mehrere hundert Kilometer an Reichweite liefern – das kommt den Betankungszeiten bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor schon sehr nahe. Für diese Art von Ladestationen ist jedoch ein dreiphasiger 400-V-AC-Netzanschluss erforderlich, was einen erheblichen Infrastrukturaufwand bedeutet. Zudem muss das Elektrofahrzeug in der Lage sein, mit dieser hohen Ladeleistung umzugehen.

Das DC-Laden

Eine AC/DC-Stufe, typischerweise mit einem hocheffizienten Vienna-Gleichrichter, wandelt die eingehende Wechselspannung (AC) in eine feste oder variable Gleichspannung (DC) um. Diese Spannung wird an eine DC/DC-Stufe weitergeleitet, die wiederum die Batterie des Elektrofahrzeugs lädt. Diese enorme Ladeleistung wird typischerweise mit Hilfe mehrerer Module realisiert. Mehrere Wandler mit einer Leistung von jeweils 15 bis 50 kW wirken zusammen, um die erforderliche Gesamtleistung zu liefern. IGBTs, SiC-Dioden und SiC-MOSFETs sind dabei die Leistungsbauelemente der Wahl, da ein Gesamtsystemwirkungsgrad von mindestens 95 % erreicht werden muss. Ein Verlust von nur 1 % bei einer 150-kW-Ladestation entspricht einer Leistung von 1500 W, die als Wärme abgeführt werden muss.

Allein die Verluste im Ladekabel und im Anschlussstecker können Hunderte von Watt betragen. Zur Abführung dieser Wärmeenergie können im Rahmen des gesamten Wärmemanagementsystems der Ladestation flüssige Kühlmittel auf Wasser-Glykol-Basis durch das Kabel und den Anschlussstecker gepumpt werden.

Die Ladezeit bleibt eine Herausforderung, obwohl es bereits die oben dargestellten praktischen Lösungen gibt und zu beobachten ist, dass immer mehr Schnellladegeräte in unseren Straßennetzen auftauchen. Und so könnte mit der Wasserstoff-Brennstoffzelle doch noch ein Paradigmenwechsel folgen. Alle Details lesen Sie nächste Woche im fünften Teil.

Teil 1: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

Teil 2: Die Akku-Packs

Teil 3: Der elektrische Antriebsstrang

Teil 5: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

Teil 6: Ein Ausblick auf das Jahr 2030

* *Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

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