Standardisierung von Hochvolt-Ladesystemen: HPC

Die E/E-Leiter Ricky Hudi (Audi), Christoph Grote (BMW), Harald Kröger (Daimler), Uwe Michael (Porsche) und Dr. Volkmar Tanneberger  (Volkswagen) waren zwar in Ludwigsburg, beauftragten aber den Volkswagen-Mitarbeiter Dr. Axel Heinrich, das gemeinsam erarbeitete Statement dem Plenum zu präsentieren.  Welche Bedeutung das letzte gemeinsame Statement der deutschen E/E-Leiter hatte, erkennt man bei einem Blick auf die Themen der ersten Ludwigsburger Erklärung vor fünf Jahren, bei der die OEMs die Weichen für 48 V, das CCs und CAN-Teilnetzbetrieb stellten.

AUTOMOBIL-ELEKTRONIK gibt im Folgenden den Wortlaut dieses Statements wieder:

Dr. Axel Heinrich äußert sich über die Ziele von HPC: "Mehr als 300 A Ladestrom in Verbindung mit einem handhabbaren Ladekabel. Dies lässt sich am einfachsten durch ein gekühltes Ladekabel realisieren." KD Busch

Die Elektromobilität erfährt ein stetig wachsendes weltweites Interesse in Verbindung mit herausragenden technischen Innovationen. Der weltweit flächendeckende Erfolg der Elektromobilität hängt zu einem großen Teil von einer standardisierten Ladetechnologie ab, die dem Kunden eine schnelle, robuste und stetig verfügbare Lademöglichkeit seines E-Fahrzeuges bietet.

Unsere Vision – ein offener Weltstandard. Unsere Mission besteht darin, den Fokus auf Ladesysteme zu legen, diese qualitativ zu unterstützten: in der Entwicklung und Standardisierung. Hierbei wollen wir die zentrale Kontakt- und Kommunikationsplattform bilden, um unter anderem eine Übersicht der Ladeinfrastruktur aufzuzeigen und zu koordinieren.

Char IN

Aus diesem Grund hat sich 2009 die Initiative Ladeschnittstelle gebildet, die sich im Anschluss im Jahr 2012 in Richtung USA und Asien internationalisiert hat. Auf dieser Initiative aufbauend, hat sich 2015 aus zehn internationalen OEMs beziehungsweise Tier-1-Lieferanten der „Char IN e.V.“ gegründet, zu dem mittlerweile noch 18 weitere Mitglieder dazu gestoßen sind; weitere Interessenten kündigen sich an. Organisatorisch bildet sich die Char IN e.V. aus einem Vorstand mit seinem Vorsitzenden Claas Bracklo und dem Schatzmeister Waldemar Schweigert sowie dem Steuerkreis mit zehn Mitgliedern. Der Char IN e.V. setzt sich hierbei mit sechs Kernthemen der Ladetechnologie auseinander und wird auch die Internationalisierung weiter vorantreiben, die mit der Eröffnung eines Asienbüros in Hong Kong im März dieses Jahres begann und mit einer smarten Einheit in den USA zügig ergänzt werden soll. Hiermit soll weiterhin das Combined-Charging-System als einziger offener/internationaler Hochleistungs-Ladestandard global etabliert werden.

Was waren im Rückblick die grundsätzlichen Herausforderungen in der bisherigen Standardisierung des Combined Charging Systems? Vornehmlich galt es, die Herausforderungen aller Stakeholder zu identifizieren, zu analysieren und mit den richtigen Lösungen zu begegnen. Beispiele hierfür wären neben verkürzten Ladezeiten durch Hochleistungs-Ladesysteme auch ein langfristiger Investitionsschutz, um den anfänglich fehlenden Return-on-Investment zu kompensieren. Auf technischer Ebene bestand die Herausforderung darin, eine Auf- und Abwärtskompatibilität sowie Interoperabilität sicherzustellen, um sowohl auf Software- als auch auf der Hardwareseite eine einheitliche Technologie zu gewährleisten.

Somit lassen sich als bisherige Erfolge für die CCS-Aktivitäten auf technischer Seite eine standardisierte Ladedose im Fahrzeug sowie eine hohe Reife bezüglich der Normung für Ladeleistungen bis 200 kW und deren Interoperabilität nennen. Auf politischer Ebene können ein internationales Agreement (SAE International), sowie die Überführung in EU-Recht (EU directive 2014/94/EZ) als Erfolg gewertet werden. Das Combined-Charging-System kann somit als eingeführter und etablierter Standard bezeichnet werden. Dies bemisst sich auch in Erfolgszahlen wie den 28 Mitgliedern des CCS-Verbundes, den weltweit mehr als 2500 Schnellladestationen und einer Vielzahl an Fahrzeugen, die den CCS-Standard unterstützen.

HPC: High-Power-Charging

Doch was folgt nun auf den Erfolg des CCS-Systems als nächste technische Herausforderung der Standardisierung? Mit der HPC-Technologie (High Power Charging) wird es nun möglich sein, trotz steigender Batteriekapazitäten und erhöhter Fahrperformance eine signifikante Senkung der Ladezeiten zu erreichen. Mit CCS und den damit möglichen Ladeleistungen von 50 kW dauerte es bislang noch 21 Minuten, um 100 km Reichweite nachzuladen. Perspektivisch benötigt ein HPC-System Dank einer Leistung von bis zu 350 kW lediglich knapp 4 Minuten für 100 km. Somit lässt sich der Wunsch des Kunden nach Flexibilität beim Laden auch auf der Langstrecke erfüllen.

Dr. Axel Heinrich im Auftrag von E/E-Leitern der deutschen OEMs: "Mit der HPC-Technologie (High Power Charging) wird es nun möglich sein, trotz steigender Batteriekapazitäten und erhöhter Fahrperformance eine signifikante Senkung der Ladezeiten zu erreichen." KD Busch

Jedoch bieten diese großen (Lade-) Leistungen auch Herausforderungen, denn höhere Ströme erfordern für gewöhnlich größere Leitungsquerschnitte, um maximal zulässige Temperaturen auf Kontakt- und Oberflächenebene einzuhalten. Dies würde bei konventioneller Bauart eine Verdopplung der Querschnitte von 50 auf dann 100 mm² bedeuten, was faktisch nicht mehr für den Kunden handhabbar wäre. Somit lässt sich als Ziel formulieren: Mehr als 300 A Ladestrom in Verbindung mit einem handhabbaren Ladekabel. Dies lässt sich am einfachsten durch ein gekühltes Ladekabel realisieren, bei dem die zulässigen Temperaturgrenzen eingehalten werden. Ähnlich den Bemühungen zur CCS-Standardisierung werden auch beim HPC auf ISO/IEC-Ebene bis Mitte 2018 im Wesentlichen Abstimmungen bezüglich Standardisierungen der DC-Ladesäulen, den AC/DC-Steckern und der PLC-Kommunikation stattfinden.

Wird das Thema Laden in Gänze betrachtet, fällt auf, dass mit HPC eine Facette, nämlich das Schnell(st)-Laden an zum Beispiel Autobahnraststätten ermöglicht wird. Doch wäre es für den Nutzer eine wahrhaft bahnbrechende Innovation, wenn das Laden in den Hintergrund tritt und er an nahezu jeder Zeit und jedem Ort laden könnte, ohne einen Ladestecker in die Hand nehmen zu müssen.

Auch hierzu wird derzeit bereits an internationalen Standards und proprietären Lösungen für den privaten und öffentlichen Gebrauch (Automatic Wireless Charging GEN 2)  gearbeitet. Allerdings gilt es noch Antworten auf Herausforderungen bezüglich unter anderem Fahrzeugintegration, verbunden mit hoher Ladeeffizienz, sowie einem zuverlässigen Positionierungssystem zu finden. Einige dieser Themen, wie zum Beispiel die Kommunikation zwischen Ladeplatte und Fahrzeug, die Ladefrequenz sowie die Luftspalthöhe haben bereits einen breiten Konsens gefunden. Allerdings muss weiterhin kooperativ an Themen wie Spulengeometrie oder der optimalen Positionierung der Ladeplatte im Fahrzeug, an gemeinsamen Standards gearbeitet werden. Für die erfolgreiche Standardisierung des AWC-GEN-2-Ladesystems werden Erfahrungen aus der nur privat nutzbaren AWC GEN 1 genutzt, um eine internationale, standardisierte und interoperable zweite Generation zu realisieren, die bereits Ende 2017, statt wie vormals geplant in 2020, standardisiert sein soll.

Als Ergebnis der bisherigen Erfolge der Char IN e.V. lässt sich feststellen: Char IN ist als zentrale Anlauf- und Kommunikationsplattform etabliert, und die Standardisierung des CCS-Systems kann als erfolgreich abgeschlossen gewertet werden. Jedoch sollte diese vielversprechende kooperative Arbeit auch beim HPC-System weitergeführt und gegebenenfalls für das AWC Gen 2 übernommen werden, um zukünftige Technologien schnell und nachhaltig in den Markt zu bringen und somit der Elektromobilität weltweit weiteren Auftrieb zu verleihen.