Mit der Booster-Einheit lassen sich 800-V-Elektroautos auch an Ladesäulen mit 400 V Spannung schnell aufladen.

Mit der Booster-Einheit lassen sich 800-V-Elektroautos auch an Ladesäulen mit 400-V-Spannung schnell aufladen. (Bild: Preh)

| von Dr. Joachim Wagner

Der Hochvoltbooster von Preh ermöglicht das Schnellladen von 800-V-Fahrzeugen an herkömmlichen Ladesäulen mit 400 V. Die gelieferten 400 V werden mit einer Leistung von bis zu 150 kW auf 800 V „geboostet“. Im Ergebnis bedeutet dies, dass sich die Fahrzeugbatterie in etwas mehr als 35 Minuten von fünf Prozent auf bis zu 80 Prozent aufladen lässt. Damit steht Fahrern von 800-V-Fahrzeugen die breit gefächerte 400-V-Ladeinfrastruktur zur Verfügung.

Technische Details des Hochvoltboosters

Der Hochvoltbooster von Preh ist ein klassischer Resonanzwandler, der die Ladesäulenspannung von 400 V auf 800 V anhebt und in den zwei Leistungsklassen 50 kW und 150 kW verfügbar ist. Durch seine spezielle Topologie bringt es der Booster auf einen Wirkungsgrad von über 97 Prozent. Das Erreichen eines derartigen Wirkungsgrades erfordert auch die Entwicklung und das Testen von geeigneten Software-Algorithmen für die interoperable Nutzung von allen weltweit verfügbaren DC-Ladesäulen.

Weltweit sind die landesspezifischen Normen für Schnellladesäulen bei den Lade- und Kommunikationsprotokollen wie CCS, CHAdeMo oder GB/T Standard unterschiedlich. Zusätzlich aber gestalten sich je nach geographischer Lage auch die Themen Ladekabel-Vorladung, Isolationsüberwachung oder PE-Plausibilisierung und – Symmetrierung unterschiedlich und erfordern den Einsatz intelligenter Software-Algorithmen. Preh bietet hierfür eine weltweit interoperable Lösung mit einer generischen Software und der gleichen Hardware an, die in Feldversuchen an allen gängigen Schnellladesäulen erprobt wurde.

Die Booster-Architektur hat zwei weitere Vorteile: Zum einen lässt sich mittels eines 150-kW-Boosters an Schnellladesäulen, die auf maximal 750 V limitiert sind (zum Beispiel in China), die 800-V-Antriebsbatterie ohne Zeitverlust durch Umschalten tatsächlich auf 100 Prozent durchladen. Zum anderen sind die elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs während des Ladevorgangs unterbrechungsfrei mit Spannung versorgt, weil die 800 V stabil aufrechterhalten werden können.

Schnelles Laden mit 400V/800V für rein elektrischen Sportwagen

Dreistufige Gleichspannungswandlung

Zum Einsatz kommt die Gleichspannungswandlung auch in einem Multiwandler für einen elektrischen Sportwagen. Der Wandler transformiert die 800 V dabei in drei unterschiedliche Spannungen: 48 V, 12 V und 400 V. Die 48-V-Spannung dient zur Versorgung der Wankstabilisierung. Hier arbeitet das System bidirektional, da mittels Rekuperation auch eine Rückwandlung der 48 V in 800 V erfolgt. Die 12-V-Spannung dient der Versorgung des Bordnetzes und die Spannung von 400 V betreibt den elektrischen Klimakompressor.

Bauweise des DC/DC-Wandlers

Der DC/DC-Multiwandler transformiert die Spannung von 800 V auf 12 V, 48 V und 400 V.

Der DC/DC-Multiwandler transformiert die Spannung von 800 V auf 12 V, 48 V und 400 V. Preh

Der dreistufige DC/DC-Wandler wurde auf kleinstem Bauraum realisiert. Da kleine Bauräume kaum Platz für EMV-Vermeidungsmaßnahmen lassen, bestand eine der Herausforderungen darin, das Entstehen von EMV-Störungen zu minimieren. Daher kommen pro Stufe Resonanzwandler zum Einsatz, die eine weiche und verlustfreie Spannungswandlung möglich machen und einen Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent erzielen.

Diese hohe Effizienz reduziert die entstehende Abwärme entscheidend und ermöglicht eine kompakte Systemauslegung. Durch die gewählte Topologie bleiben die internen Spannungen unter 650 V, womit kostengünstige Si-MOSFETs in SMD-Bauweise Verwendung finden können und sich die Amplitude des Ripplestroms klein halten lässt.

Das Herzstück des Wandlers bildet eine leistungsstarke Recheneinheit, die das gesamte Multiwandler-System mittels intelligentem Ansteuerkonzept regelt. Sowohl Multiwandler als auch Hochvolt-Booster finden auf kompaktem Bauraum Platz und lassen sich platzsparend zusammen in den E-Antriebsstrang integrieren. Die Zuverlässigkeit solcher Komponenten wird bei Preh in einem eigenen 250-kW-Hochleistungsprüflabor sichergestellt. Hier kann der Zulieferer am Stammsitz in Bad Neustadt Umwelteinflusssimulationen sowie mechanische, elektrische und Lebensdauerprüfungen vornehmen.

Ausblick

In Entwicklung befindet sich eine nächste Generation des Hochvoltboosters, wobei hier insbesondere auf ein modulares Plattformkonzept mit Gleichteilen fokussiert wird. In der nachfolgenden Generation des Gleichspannungs-Multi-Wandlers liegt ein Entwicklungsschwerpunkt auf der weiteren Erhöhung der Leistungsdichte, bei nochmals optimiertem Bauraum. Auch in der Weiterentwicklung befindet sich das Batteriemanagement, das sich in seiner jetzigen Version bereits in der Serienfertigung befindet und in diversen Hybridfahrzeugen auf der Straße ist und auch in Flurförderfahrzeugen zum Einsatz kommt. Zukünftige Meilensteine sollen unter anderem auch eine 11-kW-On-Board-Charger-Lösung sein, die in der Lage ist, bidirektionale Lademöglichkeiten für Vehicle-to-Grid (V2G) und Vehicle-to-Load (V2L) zu bieten sowie die Weiterentwicklung der Wireless-Charging-Lösungen mit 11 kW.

Dr. Joachim Wagner

Head of Pre-Development E-Mobility bei Preh

(na)

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