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Design-Lösungen für Elektrofahrzeug-Ladestationen

| Autor / Redakteur: Harish Ramakrishnan / Benjamin Kirchbeck

Wie lassen sich die Herausforderungen beim Design effizienter, schneller Elektrofahrzeug-Ladestationen mit hoher Leistungsdichte überwinden? Eine Einführung.

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Die wachsende Zahl der auf den Straßen fahrenden Elektrofahrzeuge bringt auf der ganzen Welt die Notwendigkeit mit sich, immer mehr energieeffiziente Ladeinfrastruktur-Systeme zu realisieren, mit denen die Fahrzeuge schneller als je zuvor geladen werden können.
Die wachsende Zahl der auf den Straßen fahrenden Elektrofahrzeuge bringt auf der ganzen Welt die Notwendigkeit mit sich, immer mehr energieeffiziente Ladeinfrastruktur-Systeme zu realisieren, mit denen die Fahrzeuge schneller als je zuvor geladen werden können.
(Bild: Clipdealer)

Da die neuen Elektrofahrzeuge durch größere Reichweiten und Batteriekapazitäten gekennzeichnet sind als ihre Vorgänger, gilt es schnelle Gleichstrom-Ladelösungen zu entwickeln, die die Forderung nach kurzen Ladezeiten erfüllen können. Die DC-Ladestation nach den Standards CCS (Combined Charging System) und CHAdeMO (Charge de Move) ist eine Level-3-Ladelösung mit einer Leistung zwischen 120 kW und 240 kW. Eine 150-kW-Ladestation benötigt heute ungefähr eine halbe Stunde, um ein Elektrofahrzeug für eine Fahrstrecke von etwa 250 km aufzuladen. Das Design einer einzelnen Leistungseinheit für ein derart hohes Leistungsniveau erfordert komplexe mehrstufige Topologien, deren Steuerung sich durchaus schwierig gestaltet.

In modernen Ladestationen besteht eines der möglichen Konzepte dafür, die Ausgangsleistung auf das für das Schnellladen erforderliche Niveau zu skalieren, darin, parallelgeschaltete modulare Leistungswandler zu verwenden. Da eine DC-Ladestation viel Platz benötigt, müssen die Leistungswandler modular aufgebaut und für einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Leistungsdichte optimiert sein.

Es gibt dabei zwei Lademöglichkeiten: Im ersten Fall wird das Bordladegerät (On-Board Charger, OBC) des Fahrzeugs direkt mit dem Stromnetz verbunden. Das OBC verfügt über AC/DC- und DC/DC-Leistungswandler, die in der Regel für eine Leistung bis zu 6,6 kW ausgelegt sind. In privaten und gewerblichen Anwendungen sind diese OBCs in der Lage, die Batterie in 8 bis 17 Stunden aufzuladen.

Im zweiten Fall wird eine separate Ladestation eingesetzt, deren Systemarchitektur aus Bild 1 hervorgeht. Hier dient ein Satz aus AC/DC- und DC/DC-Leistungswandler-Einheiten, der sich außerhalb des Fahrzeugs befindet, als Schnittstelle zwischen dem Stromnetz und der Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Diese Wandlersätze sind unter Umgehung des OBC direkt mit der Batterie verbunden. Da sich die Wandler nicht im Fahrzeug befinden, können sie für eine höhere Leistung konzipiert werden und ermöglichen dementsprechend kurze Ladezeiten.

Bild 1: Architektur einer DC-Ladestation.
Bild 1: Architektur einer DC-Ladestation.
(Bild: TI)

Die erste Maßnahme zur Anhebung der Leistungsdichte besteht in der Wahl der geeigneten Topologie und der passenden Bauteile für die Leistungsstufe. Wide-Bandgap-Bauelemente beispielsweise auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) bieten im Gegensatz zum IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) auf Siliziumbasis die Fähigkeit zum Sperren sehr hoher Spannungen im Gleichspannungs-Zwischenkreis. Der Wandler kann folglich mit einer höheren Spannung betrieben werden, sodass die benötigte Leistung mit niedrigeren Stromstärken übertragen werden kann. Geringere Ströme bedeuten einen reduzierten Kupferbedarf, was wiederum die Leistungsdichte erhöht.

Die kapazitive Isolationstechnologie von TI bietet eine verstärkte Isolation bis 5,7 kVrms, sodass sich diese Bauelemente für SiC- und IGBT-Anwendungen eignen. Der Umstieg auf höhere Gleichspannungen verstärkt auch den Bedarf an einer qualitativ hochwertigen verstärkten Isolation. In Bild 2 sind die Vorteile des Einsatzes von SiC erkennbar.

Bild 2: Vorteile von SiC zur Steigerung der Leistungsdichte von Ladestationen.
Bild 2: Vorteile von SiC zur Steigerung der Leistungsdichte von Ladestationen.
(Bild: TI)

SiC-MOSFETs in der Leistungsstufe tragen zur Steigerung der Leistungsdichte bei, indem sie eine Anhebung der Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis auf 1.000 V bzw. 1.500 V ermöglichen. Die Anwendung mehrstufiger Topologien für Leistungswandler hoher Leistung ist besonders bei 10 kW und darüber sehr wichtig, denn hierdurch reduziert sich die Spannungsbelastung der Bauelemente, während gleichzeitig ein akzeptables Maß an Oberschwingungen eingehalten wird.

Ein TI-Referenzdesign demonstriert einen dreistufigen Wandler in T-Konfiguration. Die Schalter in einem T-Zweig werden dabei nur mit der Hälfte der Zwischenkreisspannung konfrontiert, sodass kostengünstige Bauelemente mit niedrigerer Sperrspannung eingesetzt werden können. Erhebliche Kostensenkungen sind die Folge. Für die T-Verzweigung im Wechselrichter kann auch ein Baustein wie der LMG3410R070 eingesetzt werden. Eine Schlüsselrolle spielt die Wahl der Topologie überdies für den bidirektionalen Betrieb des Wandlers, der von großer Bedeutung für Fälle ist, in denen Energie aus dem Fahrzeug in das Netz zurückgespeist wird (Vehicle-to-Grid).

Die Schaltfrequenz hat unmittelbaren Einfluss auf die Abmessungen der magnetischen und anderen passiven Bauelemente. Mit zunehmender Schaltfrequenz nimmt die Größe der Induktivitäten und Überträger linear ab. Der Einsatz von SiC-MOSFETs in der Leistungsstufe aber macht den Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen möglich und trägt damit zur Anhebung der Leistungsdichte bei. SiC-Bausteine mit ihrem äußerst niedrigen Einschaltwiderstand und ihren herausragenden Schalteigenschaften minimieren nicht zuletzt die Gesamtverluste, was einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Leistungsdichte leistet.

Verbesserungen des Wirkungsgrads resultieren in einer Lösung, die auch in thermischer Hinsicht besser ist, und wenn in den Bauelementen weniger Leistung abfällt, kommt dies ebenfalls der Leistungsdichte zugute. Echtzeit-Controller stellen die Ergänzung zu SiC-MOSFETs dar, denn sie bringen die nötige Leistungsfähigkeit und Flexibilität für diese mit hoher Frequenz betriebenen Systeme mit. Tools wie der Software Frequency Response Analyzer und der Compensation Designer ermöglichen ferner eine einfache Umsetzung digitaler Regelungsalgorithmen.

* Harish Ramakrishnan ist als System Engineer im Bereich Grid Infrastructure für Texas Instruments tätig.

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