Hochleistungsladepunkte für jeden Standort

In Deutschland sind fast drei Millionen Elektroautos unterwegs, die sich an rund 50.000 Schnellladepunkten laden lassen. Für das erwartete Pkw-Wachstum, befeuert beispielsweise durch die neuen E-Auto-Förderungen, werden deutlich mehr Schnelladepunkte benötigt. Dem Ausbau stehen aber eine begrenzte Netzinfrastruktur und hohe Strompreise entgegen. Eine Lösung für dieses Dilemma ist es, Strom aus Solaranlagen direkt zum Schnellladen zu nutzen.

Die Verbindung von Solarstrom und Schnellladen ist naheliegend, wird aber bislang nur von wenigen Anbietern genutzt. Vorreiter auf dem Gebiet kombinieren bereits PV-Module mit DC-Schnellladern, verschenken jedoch Potenzial, weil sie auf das Speichern des Stroms verzichten und überschüssigen Strom ins Netz einspeisen, wenn gerade kein Fahrzeug geladen wird.

Falls Anbieter doch einen Speicher integrieren, um den PV-Strom lokal zu nutzen, tun sie das meist über ein separates System. Denn: PV-Anlage, Batteriespeicher und Ladestation sind rechtlich und technisch häufig getrennte Einheiten, die ein AC-Verknüpfungspunkt verbindet. Solche AC-gekoppelten Architekturen konvertieren die durchlaufende Energie mehrfach – vom PV-Wechselrichter über Speicherinverter bis hin zum Schnelllader. Dabei entstehen signifikante Verluste. Gleichzeitig erschwert die Systemtrennung eine koordinierte Steuerung der Energieflüsse.

Neuer Ansatz: DC-Ladesysteme mit integriertem Batteriespeicher

Lösungen, die dieses Problem adressieren, integrieren dafür die PV-Erzeugung, den Batteriespeicher und die HPC-Ladetechnik in einem einzigen System auf einer gemeinsamen Gleichstromschiene (Shared DC-Bus). Die Komponenten arbeiten direkt auf DC-Ebene zusammen, was verlustreiche Konvertierungen vermeidet.

Dies erfolgt beispielsweise über Onboard-Maximum-Power-Point-Tracking-Module (MTTP-Module), die die Solarenergie direkt verarbeiten und in den DC-Bus einspeisen. Separate Wechselrichter oder externe Power-Conversion-Systeme sind nicht mehr nötig. Neben geringeren Umwandlungsverlusten sinken auch Platzbedarf sowie Integrations- und Wartungsaufwand.

Warum verteilte Architekturen die Zukunft des DC-Ladens sind

Die steigenden Anforderungen an Ladegeschwindigkeit und Effizienz rücken verteilte DC-Architekturen in den Fokus. Zentrale Leistungsmodule und intelligente Steuerungskonzepte gelten als Schlüssel für eine zukunftssichere Ladeinfrastruktur.

Die Mischung macht’s: Schnellladen aus Sonne und Netz

Diese Ladearchitektur ist kein theoretisches Konzept, sondern bereits im Einsatz. Schnelladesysteme mit integriertem Speicher werden beispielsweise in Pendleton (Oregon, USA) betrieben. Eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 10 kWp speist kontinuierlich Energie in den Speicher ein, der genügend Kapazität hat, um ein Fahrzeug während einer Kaffeepause für hunderte von weiteren Kilometern zu laden. Und wenn einmal kein oder nicht genügend Sonnenlicht zur Verfügung steht: Der Speicher kann auch Energie aus dem Netz aufnehmen – beispielsweise nachts oder zu Niedrigpreiszeiten; bei geeigneten regulatorischen Rahmenbedingungen ist auch eine Rückspeisung möglich.

So funktioniert die DC-Bus-Architektur

Ein Beispiel für derartige Systeme ist GridLink von XCharge. Es verbindet Netzanschluss, Photovoltaik, Batteriespeicher und Schnellladeeinheit auf einer gemeinsamen Gleichstromschiene. Diese DC-Bus-Architektur ermöglicht eine direkte Koordination aller Energieflüsse innerhalb der Leistungselektronik.

Der AC-Netzanschluss dient primär als ergänzende Energiequelle und liegt in typischen Konfigurationen bei Anschlussleistungen um 44 kW. Höhere Ladeleistungen werden durch den integrierten Batteriespeicher bereitgestellt, der Lastspitzen puffert und so Schnellladen auch bei begrenzter Netzanschlussleistung erlaubt. Eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz mit mehreren hundert kW ist also nicht nötig.

Die Leistungsarchitektur basiert auf drei Modultypen: bidirektionale AC/DC-Module für Netz- und Microgrid-Anbindung, bidirektionale DC/DC-Module für die Batterieanbindung sowie MPPT-Module für die direkte PV-Integration. Ein zentraler Charger-Controller koordiniert alle Leistungsmodule und steuert die Energieflüsse in Echtzeit. Leistungsmodule kommunizieren über CAN (Controller Area Network), das Batteriemanagementsystem über Modbus, während die Backend-Anbindung über OCPP (Open Charge Point Protocol) erfolgt.

Anbindung kleinerer und großer PV-Anlagen

Für die PV-Anbindung stehen zwei Integrationspfade zur Verfügung. Kleinere PV-Leistungen lassen sich direkt über integrierte MPPT-Module anbinden (typisch bis etwa 30 kW). Größere PV-Installationen werden über externe Leistungselektronik an den DC-Bus gekoppelt, was höhere Leistungen ermöglicht, jedoch eine präzisere Abstimmung von Busspannung, Schnittstellen und Schutzfunktionen erfordert.

Hard- und Software für die EV-Infrastruktur der Zukunft

Der Markt für EV-Ladegeräte wächst rasant, bis 2030 will die IEA weltweit 215 Mio. Ladepunkte mit 1,8 TW Gesamtkapazität sehen. Hard- und Softwareanbieter müssen sich schnell einen Platz in der Wertschöpfungskette sichern.

Das System arbeitet netzgeführt und besitzt keine netzbildenden Eigenschaften. Ein Microgrid-Betrieb ist daher nur möglich, wenn eine externe netzbildende Energiequelle vorhanden ist. Die modulare Architektur erlaubt jedoch eine Skalierung der Leistungsmodule sowie firmwarebasierte Erweiterungen der Betriebsfunktionen.

Stromunabhängige Erschließung neuer Ladepunkte

Mit dem Solar-Boom – allein 2024 wurden weltweit über eine Million neue PV-Anlagen installiert – und der steigenden Zahl an Elektrofahrzeugen gewinnt die intelligente Kopplung von Schnellladen, Photovoltaik und Batteriespeichern an Bedeutung. Direkt integrierte DC-Architekturen ermöglichen es erstmals, lokal erzeugte Solarenergie systematisch in den Hochleistungs-Ladebetrieb einzubinden, ohne dass dafür neue leistungsstarke Stromleitungen verlegt werden müssen. Schnellladestandorte werden so von reinen Stromlieferanten zu aktiven Energiesystemknoten.

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von XCharge.