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Konsortium entwickelt Ultraschnellladetechnologie mit 450 kW Ladeleistung

| Redakteur: Thomas Kuther

Ein Industriekonsortium entwickelt im Rahmen des Forschungsprojekts „FastCharge“ eine Technologie, die das Laden von Elektrofahrzeugen so schnell und komfortabel wie Tanken machen könnte: mit einer Steigerung der Ladeleistung auf bis zu 450 kW.

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Publikumsverkehr an erster öffentlicher Ultraschnellladestation. Laden von Elektrofahrzeugen mit bis zu 450 kW.
Publikumsverkehr an erster öffentlicher Ultraschnellladestation. Laden von Elektrofahrzeugen mit bis zu 450 kW.
(Bild: Siemens)

Die am Forschungsprojekt „FastCharge“ beteiligten Industrieunternehmen haben die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der schnellen und komfortablen Energieversorgung von Elektrofahrzeugen vorgestellt. Im bayerischen-schwäbischen Jettingen-Scheppach wurde der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung von bis zu 450 kW eingeweiht. In diesem Projekt entstandene Elektro-Forschungsfahrzeuge demonstrieren an dieser Ultraschnellladestation Ladezeiten von weniger als drei Minuten für die ersten 100 km Reichweite bzw. 15 Minuten für einen vollen Ladevorgang (10% bis 80% State of Charge, SOC).

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Die neue Ladestation ist für Elektromodelle aller Marken mit der in Europa üblichen Typ-2-Variante des weltweit verbreiteten Combined Charging System (CCS) geeignet und kann ab sofort kostenlos genutzt werden.

Das im Juli 2016 gestartete Forschungsprojekt „FastCharge“ wird von einem Industriekonsortium unter der Führung von BMW betrieben, dem Allego, Phoenix Contact E-Mobility sowie Porsche und Siemens angehören. „FastCharge“ wird mit insgesamt 7,8 Mio. € durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert. Die Umsetzung der Förderrichtlinien wird von der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) koordiniert.

Mit schnellem und komfortablem Aufladen steigt die Attraktivität von Elektromobilität. Die Steigerung der verfügbaren Ladeleistung auf bis zu 450 kW – dem Drei- bis Neunfachen der an bisherigen DC-Schnellladestationen maximal verfügbaren Leistung – ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Ladezeiten.

Voraussetzungen für extrem hohe Ladeleistungen

Im Rahmen von „FastCharge“ wird untersucht, welche technischen Voraussetzungen an Fahrzeugen und Infrastruktur erfüllt werden müssen, um die extrem hohen Ladeleistungen einsetzen zu können.

Die Basis bildet eine leistungsstarke Ladeinfrastruktur. Das im Projekt eingesetzte Energieversorgungssystem von Siemens ermöglicht es, die Grenzen der Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterien zu erproben. Es kann schon heute mit höheren Spannungen von bis zu 920 V arbeiten, wie sie bei zukünftigen Elektrofahrzeugen erwartet werden. In das System wurden sowohl die Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse als auch die Kommunikationsschnittstelle zu den Elektrofahrzeugen integriert. Dieser Lade- Controller sorgt für eine automatische Anpassung der abzugebenden Leistung, sodass verschiedene Elektroautos mit einer Infrastruktur geladen werden können. Die flexible, modulare Architektur des Systems erlaubt es zudem, mehrere Fahrzeuge simultan zu laden. Dank des Ladens mit hohen Stromstärken und Spannungen ermöglicht es eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete, etwa für Flottenladelösungen oder, wie in diesem Fall, das Laden an Autobahnen. Für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz in Jettingen-Scheppach wurde im Projekt ein Ladecontainer mit zwei Ladeanschlüssen realisiert: Ein Anschluss bietet die bisher einmalige Ladeleistung von max. 450 kW, der zweite Anschluss gibt bis zu 175 kW ab. Beide Ladesäulen können ab sofort kostenlos mit allen CCS-fähigen Fahrzeugen genutzt werden.

Die jetzt vorgestellten Ladesäulenprototypen von Allego nutzen die Ladestecker des bewährten Combined Charging System (CCS) in der Typ-2-Variante für Europa. Dieser Ladestandard hat sich bereits heute bei einer Vielzahl von elektrifizierten Fahrzeugen bewährt und ist in weiten Teilen der Erde verbreitet.

Gekühlte Hochleistungs-Ladekabel

Um die beim schnellen Aufladen mit besonders hoher Leistung auftretenden Anforderungen zu erfüllen, kommen gekühlte HPC-Ladekabel (High Power Charging) von Phoenix Contact zum Einsatz, die vollständig CCS-kompatibel sind. Als Kühlflüssigkeit wird ein umweltfreundliches Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, sodass der Kühlkreislauf halboffen gestaltet werden kann. Damit ist die Wartung im Gegensatz zu hermetisch geschlossenen Systemen, die mit Öl arbeiten, vergleichbar einfach, z.B. wenn Kühlflüssigkeit nachgefüllt wird.

Eine Herausforderung bestand darin, die in der Ladeleitung befindlichen Kühlschläuche beim Anschließen an die Ladesäule nicht zu quetschen, wie es mit einer herkömmlichen Kabelverschraubung passieren würde. In diesem Fall würden der Kühlfluss und damit die Kühlleistung beeinträchtigt werden. Dieses Problem wurde von Phoenix Contact gelöst durch eine speziell entwickelte Wanddurchführung mit definierten Schnittstellen für Leistungsübertragung, Kommunikation und Kühlung sowie integrierter Zugentlastung.

Ultra-Schnellladestation für 400- und 800-V-Batteriesysteme

Je nach Fahrzeugmodell kann die neue Ultra-Schnellladestation sowohl für Fahrzeuge mit 400-, als auch 800-V-Batteriesystemen eingesetzt werden. Ihre Ladeleistung passt sich automatisch der maximal zulässigen Ladeleistung des Fahrzeugs an. Die Zeitersparnis, die durch höhere Ladeleistungen erzielt werden kann, lässt sich am Beispiel des Forschungsfahrzeugs BMW i3 darstellen. Für einen Ladevorgang von 10% bis 80% SOC der Hochvoltbatterie mit 57 kWh Nettokapazität werden nur noch 15 Minuten benötigt. Dies kann fahrzeugseitig durch den speziell entwickelten Hochvoltspeicher in Kombination mit einer intelligenten Ladestrategie erreicht werden. Dazu zählen u.a. die genaue Vorkonditionierung der Speichertemperatur bei Ladestart, Temperaturmanagement während des Ladevorgangs und ein perfekt abgestimmtes Profil der Ladeleistung über Zeit. Geladen wird über ein neuartiges fahrzeugseitiges Mehrspannungsnetz mit Hochvolt-DC/DC-Wandler (HV-DC/DC), indem die geforderte 800 V Eingangsspannung der Ladesäule auf die niedrigere 400 V Systemspannung des BMW i3 transformiert wird. Durch den HV-DC/DC-Wandler kann das Fahrzeug auch rückwärtskompatibel an allen alten und zukünftigen Ladestationen Strom tanken. Entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb ist die gesicherte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule. Deswegen werden ebenso Standardisierungsthemen zur Interoperabilität erforscht und in Normierungsgremien gebracht.

Das Porsche Forschungsfahrzeug mit einer Netto-Batteriekapazität von ca. 90 kWh erreicht eine Ladeleistung von über 400 kW und ermöglicht damit Ladezeiten von unter drei Minuten für die ersten 100 km Reichweite.

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