Elektromobilität: High-Power-Charging in der Praxis

Das Laden von Elektrofahrzeugen dauert zu lange. Die Fahrzeuge sind im Alltag kaum zu gebrauchen. So oder ähnlich argumentieren viele Autofahrer beim Thema Elektromobilität. Damit die Elektro­mobilität im Alltag ankommen kann, müssen die Unternehmen und Forschungseinrichtungen elektrotechnischen Grenzen aller beim Laden beteiligten Komponenten und Systeme erforschen. Zu diesem Zweck ging im Juli 2016 das Forschungsprojekt Fast-Charge an den Start. Ladeleistungen von bis zu 450 kW testeten die Projektteilnehmer dabei. Ziel war es, das Laden so schnell und komfortabel wie das Tanken zu machen.

Das Gemeinschaftsprojekt konzentrierte sich auf die Erforschung sämtlicher Aspekte des Schnell­ladens, um die erforderlichen Techno­logien für den Einsatz im Alltag nutzbar zu machen. Neben der Leistungssteigerung untersuchten die Projektteilnehmer daher auch die Grundlagen und Prozesse für den Betrieb von Ultraschnell­ladesystemen. Auch den für Nutzer so wichtigen automatisierten Anmelde- und Abrechnungsprozess, auch Plug-&-Charge genannt, bezogen sie mit ein. In dem auf drei Jahre ausgelegten und durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur geförder­ten Projekt, das sämtliche Aspekte des Ladevor­gangs abdeckt, engagierten sich BMW als Konsortial­führer, Allego, Porsche, Siemens sowie Phoenix Contact E-Mobility (Bild 2).

Mit der Einweihung dieses High-Tech-Ladesystems im bayerischen Jettingen-Scheppach – an der A8 zwischen Ulm und Augsburg – hat das Konsortium im Dezember 2018 den Beweis erbracht, dass Lade­zeiten von weniger als drei Minuten für die ersten 100 Kilometer Reichweite im Praxisbetrieb möglich sind. Nur 15 Minuten dauert der Ladevor­gang von 10 auf 80 Prozent State-of-Charge (SOC), also für eine fast volle Batterie.

Laden mit Forschungsfahrzeugen

Für diese leistungsfähige Ladeinfrastruktur sind Fahrzeuge notwendig, die diese hohen Leistungen aufnehmen und in ihrer Batterie speichern können. Im Fast-Charge-Projekt stellten die Teilnehmer Porsche und BMW entsprechende Forschungs­fahrzeuge. BMW hat hierzu einen i3 mit einer Hochvoltbatterie mit 57 kWh Netto-Kapazität ausgestattet, was einen Ladevorgang von 15 Minuten mit 175 kW möglich macht. Der von Porsche umgebaute Panamera bringt es sogar auf eine Netto-Batterie­kapazität von circa 90 kWh. Eine Ladeleistung von anfänglich über 400 kW ermöglicht damit Lade­zeiten von unter 3 Minuten für die ersten 100 km Reichweite. Beide Fahrzeuge sind mit leistungs­starken Kühlsystemen zur Batteriekühlung während des Ladevorganges ausgestattet.

Das Fast-Charge-Projekt-Team mit Ladecontainer, Ladesäulen und Forschungsfahrzeugen von Porsche und BMW: Dr. Markus Göhring (Porsche), Frank Bauer (BMW Group), Fast-Charge-Projektleiter Stephan Elflein (BMW Group), Bernhard Pufal (Allego), Gerhard Oberpertinger (Siemens) und Robert Ewendt (Phoenix Contact). Phoenix Contact

Je höher Spannung und Stromstärke, desto schneller füllt sich der Energiespeicher. Doch Schnellladen ist nicht unproblematisch, denn hohe Ladeströme produzieren viel Wärme. Immerhin erreicht die Fast-Charge-Ladeinfrastruktur Spannungen von bis zu 920 Volt und bis zu 500 Ampere, was hohe Anforderungen an alle beteiligten Ladeinfrastruktur-Komponenten bis hin zum Akku stellt. Um die Belastung der eingesetz­ten Komponenten zu reduzieren, werden die Systeme zur Energieübertragung gekühlt.

Niederspannungsanschluss reicht für Ladestation

Ein Ladecontainer, der neben dem Anschluss an das öffentliche Stromnetz auch die Leistungs­elektronik für die zwei Ladepunkte enthält, stellt an einem Ladepunkt 175 kW und am zweiten Ladepunkt die bisher einmaligen 450 kW zur Verfügung. Dazu war ein aufwendiger Mittelspan­nungsanschluss nicht erforderlich, da für den Ladecontainer ein Niederspannungsanschluss ausreicht. Trotzdem steht genug Leistung zur Verfügung, um zwei Fahrzeuge mit hohen Leistungen gleichzeitig zu laden. Das System mit dem neuen Ladesäulen-Design von Allego nutzt den in Europa bewährten Ladestecker des Combined Charging Systems (CCS) in der Typ-2-Variante (Bild 3).

Auch alle Serien-E-Mobile, die über den CCS-Anschluss Typ 2 verfügen, lassen sich an beiden Säulen laden, da sich die Elektronik der Ladeinfrastruktur auf die vom Fahrzeug benötigte maximale Ladeleistung einstellt und somit quasi abwärts­kompatibel ist. Der Ladestandard CCS-Typ-2 hat sich in Europa und Amerika bereits etabliert.

Große Reichweite bei extrem kurzer Ladezeit

Über die im Fast-Charge-Projekt eingesetzten gekühlten HPC-Ladekabel von Phoenix Contact können die Systeme je nach Fahrzeugmodell sowohl 400-V- als auch 800-V-Batteriesysteme aufladen. Das schnelle Aufladen eines Elektro­autos gleicht sich so dem Betanken eines konventionellen Kfz immer mehr an. Die fortschrittliche Ladetechnik ermöglicht es mit einem Ladestrom von dauerhaft 500 Ampere den Akku von Elektroautos aufzuladen, etwa während einer kurzen Kaffeepause (Bild 4).

Neuer Rekord: 450 kW stellt die Ladestation (rechte Ladesäule) zur Verfügung, die zweite Ladestation (links) bringt es auf 175 kW. Phoenix Contact

Bereits während der Entwicklung der HPC-Technologie hat Phoenix Contact den Fokus auf eine möglichst schnelle Installation gesetzt. Dazu entwickelte das Unternehmen eine Kabeldurchführung, die eine komfortable Montage des Ladekabels an der Ladesäule ermöglicht. Die Einrichtungszeit einer HPC-Ladestation entspricht somit nahezu der von herkömmlichen E-Tankstellen.

Ebenso nutzerfreundlich wie die Installation gestaltet sich die Wartung der Technik. Anders als herkömmliche Ladesäulen arbeitet HPC mit einer intelligenten Flüssigkühlung, die eine Überhitzung der Ladestecker und -kabel verhindert. Durch den Einsatz eines umweltfreund­lichen Wasser-Glykol-Gemisches als Kühlflüssig­keit wird auch die Wartung des Kühlkreislaufs in diesem halboffenen System erheblich vereinfacht – im Vergleich zu wartungsintensiven geschlossenen Kühlsystemen, die mit Ölkühlung arbeiten.

Sensorik im Ladestecker

Ladekabel an öffentlichen E-Tankstellen sind starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, etwa wenn sie runterfallen oder Fahrzeuge über sie fahren. Das Steckgesicht wird dabei am meisten beansprucht. Phoenix Contact entwickelte den HPC-Stecker daher so, dass sich Steck­gesichtsrahmen und Leistungskontakte schnell austauschen lassen. Somit ist die Reparatur einfach und zeitsparend durchzuführen, sodass Ausfallzeiten der Ladesäulen möglichst gering bleiben und ein kostspieliger Austausch des gesamten Ladekabels nicht nötig ist.

Noch mehr intelligente Technologie kommt im Inneren des Ladesteckers zum Einsatz: Eine integrierte Sensorik liefert Informationen über den generellen Zustand des HPC-Steckers, seinen Gebrauch und Verschleiß sowie weitere Analyse­daten. Alle Informationen werden im Ladestecker gespeichert und zusätzlich in Echtzeit an den Betreiber übermittelt. Zur Sicherheit wird das System permanent auf Überhitzung überwacht, zudem ist das HPC-Ladekabel CE-zertifiziert und es erfüllt sämtliche erforderlichen Normen.

High-Power-Charging-Stecker von Phoenix Contact laden Elektrofahrzeuge in wenigen Minuten bequem auf. Phoenix Contact

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung des Schnellladesteckers war es, den Querschnitt des Ladekabels sowie die Größe und das Gewicht des Ladesteckers so praktisch wie möglich zu gestalten. Dies war nur möglich, indem Phoenix Contact eine clevere und effiziente Kühlung entwickelte und einen durchdachten Kabel­aufbau konzipierte. Zusätzlich sind die Stecker mit versilberten Kontakten versehen. Sie enthalten einen Kontaktträger, der dank seiner guten Wärmeleiteigenschaften gleichzeitig als Kühlkörper dient. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Stabilität bei optimaler Kühlleistung erzielen.

Fazit

Fast-Charge liefert mit dem Projekt Euro Rastpark Jettingen den Beweis für die Praxis- und Langstreckentauglichkeit der Elektromobilität. Die Partner des Konsortiums haben sich in der kurzen Projektlaufzeit mit ihren Expertisen und Technologien ergänzt und somit einen Beitrag zur Akzeptanz batterie­elektrischer Fahrzeuge geleistet. Künftig soll es nicht mehr Stunden, sondern nur noch wenige Minuten dauern, bis ein E-Mobil wieder „auf­getankt“ ist und seine Fahrt fortsetzen kann.

(prm)