Ladestationen müssen rauen Umgebungen trotzen und infolgedessen mit entsprechenden Überspannungskategorien und einem weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein. (Bild: Recom)
Zu wenige Ladesäulen galten lange als Hindernis für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Ein umfangreicher Ausbau der Ladeinfrastruktur macht nun den Weg frei, zumindest in vielen Ländern. So hat China allein im Dezember 2020 112.000 öffentliche Ladepunkte installiert – mehr als das gesamte öffentliche Ladenetz der USA. Dieser Ausbau wird nach Angaben von IHS Markit 2025 zu einem rund 14 Milliarden US-Dollar schweren Markt für Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge führen.
Die im Fahrzeug integrierten Ladegeräte (On-Board Charger, OBC) werden immer kundenspezifische Konstruktionen sein. Für Ladesäulen und Wallboxen lassen sich allerdings auch handelsübliche modulare Hilfsstromversorgungen einsetzen. Sie reichen von etwa 2 kW in einer Wallbox mit Wechselstromausgang bis zu 350 kW für ein Gleichstrom-Schnellladegerät an einer E-Tankstelle. Alle arbeiten jedoch aufgrund ihrer Nähe zum Wechselstromverteilungsnetz in einer sehr rauen Betriebsumgebung mit extremen Temperaturen und starken Spannungseinbrüchen, Überspannungen und Spannungsspitzen. Um den internationalen Normen zu entsprechen und so wirtschaftlich wie möglich zu funktionieren, müssen die Ladeeinheiten zudem strenge Anforderungen an den Wirkungsgrad und den Leerlaufverlust erfüllen.
Schwerpunktthema: E-Mobility
In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.
Die Überspannungskategorie zählt
Geräte, die Wechselspannungstransienten ausgesetzt sind, sollten über einen Weitbereichseingang verfügen und der Überspannungskategorie Stufe III (Over-Voltage Category, OVC) entsprechen (Bild 1). Die meisten AC/DC-Produkte gehören jedoch nur zur OVC II oder die OVC-Klasse ist gar nicht erwähnt. Zu der Kategorie III gehört etwa der 5-W-AC/DC-Wandler RAC05-SK/480 von Recom. Er hat einen sehr breiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 528 VAC für nominal 100 bis 277 VAC von der Leitung zum Nullleiter in einphasigen Systemen oder 208/480 VAC nominal für den Anschluss von Phase zu Phase in dreiphasigen Systemen. Die internen Sicherheitsabstände sind breiter als bei Standardmodulen, um die strengeren Anforderungen von OVC III zu erfüllen. Zudem verfügt er über eine Reihe von Gleichstromausgängen. Der Wandler kann bei Temperaturen von -40 bis +80 °C betrieben werden.
Für höhere Leistungen eignet sich der 10W RAC10/277 von Recom mit einem Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 VAC. Der Wandler ist ebenfalls nach OVC III eingestuft und verfügt über Einzel- und Doppelausgänge für eine breite Palette von Anwendungen. Mit einem hohen Ausgangsstoßstromwert von 140 Prozent eignet er sich auch für Lasten mit hohen Einschaltströmen. Beide Modelle kommen in 2"-×-1"-Gehäusen (5,08 cm × 2,54 cm) für die Leiterplattenmontage, haben geringe Standby-Verluste und entsprechen den EMV-Normen der Klasse B.
Ein typisches Ladegerät benötigt zudem DC/DC-Wandlerfunktionen für interne Gleichstromschienen und zur Versorgung isolierter Kommunikationsschnittstellen. Hier ist häufig eine hohe Spannungsfestigkeit erforderlich, zudem ein breiter Betriebstemperaturbereich und eine geringe Größe. Mit einer 5-kVAC-Isolationsspannnung eignet sich der R05CT05S von Recom besonders gut. Er liefert 5 oder 3,3 V Ausgangsspannung aus 5 V Eingangsspannung in einem IC-Format-Gehäuse. Die Betriebstemperatur beträgt bis zu 140 °C und die Bauteile sind vollständig gegen Kurzschluss, Überstrom, Übertemperatur und Eingangsunterspannung geschützt.
Eine neue, etwas leistungsstärkere 1-W-Version ist seit Kurzem mit der RxxCTExx-Serie in einem winzigen SOIC-16 SMT-Gehäuse mit einer Höhe von nur 2,65 mm erhältlich.
Für sehr kostensensitive Anwendungen empfehlen sich THT-Bauteile wie die RKE/H-Serie von Recom im SIP7-Format. Sie hat eine große Auswahl an Eingangs- und Ausgangsspannungen und zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine 4-kVDC-Isolationsspannung aus, was für die Überwachung von Batteriespannung und -strom nützlich ist, die oft nicht auf Masse bezogen sind (Batterie-Managementsysteme, BMS).
Nichtisolierte DC/DCs für 48-V-Batterieladegeräte
In manchen Elektrofahrzeugen werden 48-V-Batterien verwendet, beispielsweise in Kleinlieferwagen, Off-Highway-Fahrzeugen, Drohnen und Plug-in-Mildhybridfahrzeugen. Für diese können nichtisolierte DC/DC-Wandler als Hauptladequelle genutzt werden, da die Spannung unter dem SELV-Grenzwert (Safety Extra Low Voltage) von 60 VDC liegt. So lässt sich die Effizienz der Leistungsumwandlung verbessern. Ein Modul wie der RBBA3000 von Recom eignet sich mit einem Nennstrom von 50 A für eine Leistung von bis zu 3 kW. Er ist extern programmierbar von 0 bis 60 VDC und der Strom wird überwacht, sodass sich ein präzises Batterieladeprofil erstellen lässt. Der DC/DC-Wandler ist in einem grundplattengekühlten Half-Brick-Format mit den Abmessungen 63,2 mm × 60,6 mm × 13 mm ausgeführt. Er verfügt über ein Laststrommesssignal, das einen externen verlustbehafteten Strommesswiderstand überflüssig macht. Mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C eignet er sich für die Umgebung des Ladegeräts und eine Vielzahl anderer Anwendungen.
