Ladeinfrastruktur der Megawatt-Klasse
Im Projekt »MS-Tankstelle« entwickelte das Fraunhofer ISE mit Industriepartnern die Mittelspannungs-Systemtechnik für zukünftige Schnellladestationen, die Spitzenlasten von mehreren Megawatt ermöglichen.
Mit der Zahl an E-Fahrzeugen in Deutschland steigt der Bedarf an Schnellladestationen, die wie heutige Tankstellen viele Fahrzeuge gleichzeitig bedienen können. Wichtig wird das besonders an den Autobahnen oder in städtischen Parkhäusern und -plätzen.
Nun kann man die Rechnung aufmachen: 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 elektrisches Laden länger dauert als traditionelles Tanken, sind an Tankstellen in Zukunft statt acht Zapfsäulen etwa 15 bis 25 Ladepunkte nötig, um die gleiche Fahrzeugzahl in gleicher Zeit zu bedienen. Beim parallelen Schnellladen ruft die Elektrotankstelle etwa 1,5 bis 3,5 Megawatt Leistung ab. Damit können Schnellladestationen nicht länger übers Niederspannungsnetz versorgt werden – selbst bei geringer Auslastung würde die nötige Leistung 300 kW übersteigen.
Auch die Verteilung innerhalb der Tankstelle oder des Parkhauses sollte nicht im Niederspannungsnetz erfolgen, da die langen Kabelwege (bei 25 Ladepunkten 100 Meter und mehr) und die hohen Leistungen zu hohen Installationskosten bzw. hohen Verlusten in den Kabeln führen.
Die neue Lösung setzt aufs Mittelspannungsnetz
Ein neu entwickeltes leistungselektronisches System für Ladestationen setzt daher auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem Gleichrichter auf einer Spannung von 1500 VDC betrieben wird. Entwickelt wurde es vom Fraunhofer ISE, Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG und AEG Powersolutions GmbH.
Die höhere Spannungsebene führt zu einer höheren Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass der Kabelquerschnitt größer werden muss. Der deutlich geringere Kupferverbrauch leistet sogar einen Beitrag zum Umwelt- und Ressourcenschutz. Der Wert von 1500 VDC wurde gewählt, weil er die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. In Folgeprojekten soll die Spannung noch gesteigert werden.
Modularer Ansatz für unterschiedlich große Ladestationen
Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das Gleichstrom- (DC)-Verteilnetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Gleichstromwandler mit einer Leistung von je 175 kW können im System problemlos parallelgeschaltet werden. Der modulare Ansatz erlaubt es, sowohl Ladestationen mit geringerer Leistung für PKW als auch Stationen mit größerer Leistung für LKW zu bauen.
Im Gegensatz zur heimischen Wallbox müssen Ladestationen hochgradig kompatibel für verschiedene Fahrzeugtypen sein. Das Konzept mit einem zentralen Gleichrichter und einer 1500 V-DC-Verteilung hat den Vorteil, dass die Netzanschlusskomponenten (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 das unkomplizierte Laden soll die Station mit den in Europa dominierenden Standards CCS1 und CCS2 (Combined charging system) voll kompatibel sein, also für Stromstärken
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