Wie sich emissionsfreie Nutzfahrzeuge flexibel laden lassen

Betreiber von Fuhrparks mit batterieelektrischen oder hybriden Nutz- und Sonderfahrzeugen brauchen eine leistungsfähige Ladeinfrastruktur. Hier erfahren Sie, worauf es bei der Auswahl ankommt.

Der Mobilitätswandel im Fuhrpark stellt Entscheider der Nutzfahrzeug-, Personenbeförderungs- und Transportbranche vor zahlreiche Herausforderungen. Auflagen in Form von Umweltzonen oder CO₂-Ausstoßbilanzen machen den Umstieg von Verbrennungsmotoren auf batterieelektrische Antriebe unabdingbar. Auf und besonders neben unseren Straßen ist viel mehr unterwegs als nur Pkw. Auch wenn der motorisierte Individualverkehr einen Großteil des Straßenverkehrs ausmacht, darf bei der Elektrifizierung die große Bandbreite unterschiedlicher Nutz- und Sonderfahrzeuge nicht außer Acht gelassen werden.

Der Fuhrpark soll emissionsfrei werden

Der nach wie vor zunehmende Bestand an herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren gerät angesichts zunehmender Umwelt- und Klimaprobleme stärker ins öffentliche Interesse und in die allgemeine Kritik. Doch wird die Elektrifizierung in den kommenden Jahren und Jahrzehnten zunehmen: im öffentlichen Personennahverkehr, im globalen Güterverkehr, im Einsatz städtischer und kommunaler Servicefahrzeuge, in der Landwirtschaft, im Untertagebau und in vielen anderen Bereichen. Angesichts weltweiter, ehrgeiziger politischer Ziele basierend auf dem Pariser Klimaschutzabkommen, wonach der gesamte Verkehr nach und nach emissionsfrei werden soll, sowie im Hinblick auf den Green Deal der EU, legen einige Länder bereits heute strenge Grenzwerte für die zuvor genannten Einsatzbereiche von Nutz- und Sonderfahrzeugen fest. Zwangsläufig muss der Anteil herkömmlicher Verbrenner am Gesamtvolumen des Fahrzeugmarktes deutlich reduziert werden. In Folge dessen werden Hersteller von Nutz- und Sonderfahrzeugen, egal ob Groß- oder Kleinserie, ihre Fahrzeuge entsprechend umrüsten oder neu konzipieren.

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Ladeinfrastruktur und Ladestandards

Eigentümer und Verwalter, die emissionsfreie elektrische Nutz- oder Sonderfahrzeuge in ihrem Fuhrpark einsetzen möchten, stehen vor einer Herausforderung: sie müssen ihre Infrastruktur anpassen und beispielsweise Ladestationen auf ihren Betriebshöfen installieren. Im gewerblichen Umfeld ist das vergleichsweise einfach. Die Vorteile gegenüber privaten Installationen liegen auf der Hand: größere Flächen zur Installation von Ladeinfrastruktur sind verfügbar, eine direkte Netzanbindung ermöglicht eine einfachere Erweiterung des Netzanschlusses zur höheren Leistungsübertragung, und oftmals kann die Anbindung an die eigene Energieversorgung – etwa an eine vorhandene Photovoltaik- oder Windkraftanlage – in die Installation integriert werden.

Zur Ladung von Pkw haben sich unterschiedliche Standards etabliert. Das Laden mit Gleichstrom (DC) bietet die Möglichkeit, hohe Leistung in kurzer Zeit zu übertragen. Zudem sind die Kontakte und Leitungsquerschnitte größer dimensioniert als bei herkömmlichen Wechselstrom-Stecksystemen (AC). So können beim ungekühlten DC-Laden bis zu 250 kW Ladeleistung übertragen werden. Allgemein wird das DC-Laden daher auch Schnellladen genannt. In Kombination mit einer integrierten Kühlung werden sogar normativ bis zu 500 kW erreicht. Man spricht dann von Ultraschnellladen oder High Power Charging, kurz HPC.

Für das DC-Laden wird von führenden Automobilherstellern das Combined Charging System, kurz CCS, empfohlen. Dieses kombinierte Ladestecksystem, in dem sowohl AC- als auch DC-Laden mit nur einer Fahrzeug-Ladedose – auch Inlet genannt – möglich ist, findet Anwendung nach Typ 1 in Nordamerika und nach Typ 2 in Europa. Die Ladestandards werden in den jeweiligen Märkten sowohl von der Automobilindustrie verwendet als auch von Ladeinfrastrukturanbietern bedient. Auch für das schnelle Laden von Nutz- und Sonderfahrzeugen sind die etablierten CCS-Standards technisch und praktisch „state of the art“.

Schnellladen von Nutz- und Sonderfahrzeugen

Mit neuen CCS-Fahrzeug-Ladedosen bietet Phoenix Contact nun Herstellern und Umrüstern von Nutz- und Sonderfahrzeugen sowie von elektrisch betriebenen oder hybriden Pkw, Krafträdern und Freizeitfahrzeugen leistungsfähige und nach Automotive-Standards geprüfte Komponenten im Bereich der Ladetechnik. Damit ist jetzt auch fahrzeugseitig das DC-Schnellladen bis hin zum High Power Charging möglich (Bild 1).

Bis vor kurzem waren mit dem Combined Charging System fahrzeugseitig lediglich Ladeströme bis zu 200 A umsetzbar. Der weltweite Markt der Elektromobilität – vom Fahrer von Elektrofahrzeugen über den Hersteller und Betreiber von Ladeinfrastruktur bis hin zur Automobilindustrie – fordert deutlich höhere Ladeströme und -leistungen. Alle Marktteilnehmer möchten akzeptable Ladezeiten von wenigen Minuten für praxistaugliche Reichweiten. Akzeptabel sind Ladezeiten für den Endanwender genau dann, wenn sie vergleichbar sind mit den gewohnten Tankzeiten an der Zapfsäule.

Überall dort, wo Sonder- und Nutzfahrzeuge gewerblich zum Einsatz kommen, müssen zudem Standzeiten auf ein Minimum reduziert werden, denn nur eine optimale Auslastung der Fahrzeuge führt zu einem effizienten und ökonomischen Einsatz. Die neuen CCS-Inlets ermöglichen das Laden mit höheren Ladeströmen bis hin zum High Power Charging – und bedienen so die Anforderungen des Marktes (Bild 2).

Clever konstruierte Fahrzeug-Ladedosen

Der DC-Leitungsquerschnitt von bis zu 95 mm² erlaubt temporär Ladeströme von bis zu 500 A. Durch eine ausgeklügelte Anschlusstechnik zwischen den Leistungskontakten und HV(Hochvolt)-Leitungen wird die Erwärmung des Stecksystems minimiert. Die integrierte Temperatursensorik sorgt für eine schnelle und exakte Auswertung der Temperatur an den DC-Leistungskontakten. Die dort gemessene Temperatur dient als Basis zur dynamischen Regulierung des angeforderten Ladestroms durch das Fahrzeug.

Weil die HPC-Ladeinfrastruktur für den Dauerbetrieb ausgelegt ist, wird aktiv gekühlt. Die Ladeschnittstelle eines Fahrzeugs kühlt hingegen mehrere Stunden ab, während das Fahrzeug im Einsatz ist, bevor der nächste Ladevorgang gestartet wird. Entsprechend erfolgt fahrzeugseitig keine aktive Kühlung der Leistungskontakte und HV-Leitungen. Stattdessen werden dynamische Ladeprofile zum Laden der Fahrzeugbatterien eingesetzt, wobei der Ladevorgang üblicherweise mit einem hohen Ladestrom beginnt und stufenweise heruntergeregelt wird. Dank der hohen Ladeleistung werden Fahrzeugbatterien so innerhalb weniger Minuten nahezu vollständig aufgeladen.

Durch das Dichtkonzept erhalten die Ladedosen umfänglichen Schutz nach IP67 für alle innenliegenden stromführenden Teile. Im Frontbereich weisen die Ladedosen darüber hinaus die Schutzart IP6K6K/IP6K9K auf – der Wassereintritt über das Steckgesicht wird so effektiv verhindert.

Die Außenabmessungen und Anschraubgeometrien der Fahrzeug-Inlets sind kompakt und in ihren Ausführungen für den CCS-Typ-1-Standard als auch für den CCS-Typ-2-Standard identisch. So können Hersteller und Umrüster den gleichen Bauraum für die Ladedosen in ihren Fahrzeugen für den weltweiten Einsatz vorsehen (Bild 3). Die neuen CCS-Ladedosen werden vorkonfektioniert ausgeliefert, sodass sie direkt in das HV-Bordnetz des Fahrzeugs eingebunden werden können. Zum Lieferumfang gehören neben dem Fahrzeug-Inlet mit integrierter Temperatursensorik auch der Verriegelungsaktuator, die angeschlossenen HV- und NV(Niedervolt)-Leitungen sowie die Staubschutzkappen zur Abdeckung des Steckgesichtes.

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