Elektromobilität Rastplatz mit Schnellladestation

Der Fortschritt in der Ladetechnologie ist ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Elektromobilität. Ziel ist eine verfügbare und komfortable Ladeinfrastruktur für den alltäglichen Gebrauch von Elektrofahrzeugen – passend zu Fahrleistung und Bewegungsradius. Eine Voraussetzung dafür wurde bereits vor Jahren erarbeitet: einheitliche und genormte Ladesteckverbinder für Europa, Nordamerika, China und Japan. An dieser Entwicklung war Phoenix Contact – zusammen mit der Automobilindustrie – federführend beteiligt. Insbesondere das Combined Charging System (CCS), das in Europa und Nordamerika als Standard etabliert ist, kommt in vielen Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Mit dem kombinierten Ladestecksystem kann über das Fahrzeug-Inlet sowohl mit Ladesteckern für Wechselstrom (AC) als auch mit CCS-Fahrzeug-Ladesteckern für Gleichstrom (DC) geladen werden. Am Fahrzeug selbst ist nur eine Schnittstelle erforderlich.

Ladelösungen, die ein schnelles Laden und damit eine schnelle Weiterfahrt erlauben, rücken weiter in den Fokus. Während die vollständige Aufladung von Elektrofahrzeugen beim AC-Laden mehrere Stunden dauert, sind dank der Schnellladung mit DC nur noch wenige Minuten erforderlich. Die Automobilindustrie hat Interesse an dieser Technologie und verlangt nach Lösungen. Heutige DC-Ladestationen ermöglichen bereits eine Ladeleistung von bis zu 150 kW. Schon bald wird der E-Mobilist aber eine Ladeleistung von bis zu 350 kW nutzen können, sodass die Batterie für eine Reichweite von 400 km in zirka 20 Minuten geladen ist. Durch die höhere Ladegeschwindigkeit wird die Wettbewerbsfähigkeit des Batterie-elektrischen Autos erhöht.

Auf der Fahrzeugseite liegt der Fokus auf einer optimierten Batterietechnik. Benötigt werden ultraschnell-ladefähige Batteriezellen, die auch bei erhöhten Ladezyklen alterungsbeständig sind. Zudem soll durch eine verbesserte Speichertechnologie die Reichweite erhöht werden – angestrebt wird eine Verdopplung bei gleicher Batteriegröße und -kosten. Schon für die Jahre 2017 und 2018 werden von mehreren Herstellern Fahrzeuge mit 300 bis 500 km Reichweite und kurzer Ladezeit angekündigt. Aber nicht nur die Batterie, sondern auch das Fahrzeug-Inlet als Schnittstelle zur Infrastruktur sowie die Infrastruktur selbst müssen für die hohe Ladeleistung ausgelegt sein.

Thermische Belastung ist zu vermeiden

Für höhere Ladeleistungen erhöhen sich zwangsläufig Ladestrom und Ladespannung: eine Ladeleistung von 350 kW ergibt sich aus 1000 V DC Spannung und 350 A Stromstärke. Höhere Ladeströme erwärmen aber das Material und belasten es dadurch mehr – beides ist unbedingt zu vermeiden. Normativ liegt der Grenzwert für Kontaktsysteme hier bei ∆T ≤ 50 Kelvin. Die entsprechenden Leistungskontakte der Ladestecker und Fahrzeug-Inlets müssen ihre Funktion über die gesamte Lebensdauer erfüllen. Für das Hochleistungs-Schnellladen mit bis zu 350 kW ist dies eine besondere technische Herausforderung. Beim Durchgang eines Stromes I entsteht am Kontakt mit dem Übergangswiderstand R eine Verlustleistung P_v, die zu einer thermischen Beanspruchung der Kontakte führt: P_v = I² * R. Während der Nutzung werden die Kontakte elektrisch, mechanisch und durch Umwelteinflüsse belastet.

Das Belastungsspektrum ist dabei teilweise extrem: Lebenszyklen von mehreren Jahren mit bis zu zehntausend Steckzyklen sowie Umgebungstemperaturen im Bereich von -30 bis +50 °C – mit hoher Luftfeuchte, Staub oder Spritzwasser. Um die thermische Beanspruchung zu reduzieren, muss die Verlustleistung minimiert werden. Dies wird durch eine optimierte Leiteranschlusstechnik, eine geeignete Konstruktion und Oberfläche der Kontakte, sowie eine definierte Kontaktnormalkraft erreicht. Die Abfuhr der entstandenen Wärme erfolgt über eine Ladeleitung durch Wärmeleitung – die Wärme wird über Konvektion an die Umgebung abgegeben. Das Kupferkabel wirkt wie ein Kühlkörper. Demzufolge würde eine Erhöhung der Leiterquerschnitte die thermische Beanspruchung des Ladesystems reduzieren.

Gekühlte Schnellladesysteme als Lösung

Größere Leiterquerschnitte bringen allerdings einige Nachteile mit sich. So wäre die Handhabbarkeit eingeschränkt durch die geringe Flexibilität und das höhere Gewicht des Ladekabels. Aus diesem Grund werden die DC-Ladestecker von Phoenix Contact mit einem Medium gekühlt. Durch das Kühlsystem muss der Kabelquerschnitt auch für höhere Ladeströme nicht erhöht werden. Das gekühlte DC-Ladesystem wird es für Fahrzeug-Ladestecker nach IEC 62196 neben Typ 2 (Europa) auch für Typ 1 (Nordamerika) und gegebenenfalls auch für den GB/T-Standard (China) geben. Die Geometrie des Steckgesichts des gekühlten DC-Ladesteckers ist dabei identisch mit dem ungekühlten und bereits etablierten DC-Ladekabel.

Auch an der Fahrzeug-Schnittstelle – dem Inlet – ändert sich die Geometrie nicht. Für die Übertragung von 350 A und 1000 V werden von Phoenix Contact Fahrzeug-Inlets mit einer erhöhten Stromtragfähigkeit und einem innovativen Temperatur-Management mit Temperatur-Sensorik entwickelt. Für eine redundante Temperaturüberwachung befinden sich ebenfalls in den Fahrzeug-Ladesteckern hochsensible Temperatur-Sensoren, die die Temperatur der DC-Leistungskontakte messen. Für das sichere Laden mit einer Ladeleistung von bis zu 350 kW müssen Sicherheitsmaßnahmen implementiert werden. Hierzu zählen neben der Temperaturüberwachung auch die vorgeschriebene Isolationsüberwachung und die Fehler-Detektion.

Eine Hochleistungs-Schnellladestation funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine herkömmliche DC-Ladestation. Lediglich der Leistungsbereich der Leistungselektronik, der gekühlte Ladestecker sowie die zusätzliche Kühleinheit, die über eine separate Steuerung bedient wird, unterscheiden sich. Sowohl beim herkömmlichen DC-Laden als auch beim Hochleistungs-Schnellladen ist die Leistungselektronik der Ladestation direkt mit der Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs verbunden – und wirkt somit auch direkt auf die wichtigste Komponente des Elektrofahrzeugs ein. Die Leistungselektronik der Ladestation muss die mit dem Fahrzeug ausgehandelten Ladeparameter also exakt einstellen. Bei der Ladesteuerung „EV Charge Control Professional“ von Phoenix Contact erfolgt die Kommunikation mit dem Fahrzeug nach dem aktuellen Standard DIN SPEC 70121 sowie künftig nach ISO/IEC 15118. Die Programmierung der Anwender-Software erfolgt dabei in der gewohnten Programmier-Umgebung PC-Worx. PC-Worx stellt vordefinierte Funktionsbausteine bereit, die der Software-Entwickler in sein Applikationsprogramm integrieren kann. Innerhalb der Ladestation stehen dem System­entwickler zusätzlich serielle Schnittstellen wie RS232, RS485 und CAN sowie Ethernet und digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Die Kommunikation zwischen der DC-Steuerung und der Steuerung für den Kühlkreislauf erfolgt zum Beispiel über eine CAN-Bus-Schnittstelle. Die normativen Vorgaben für das Hochleistungsschnellladen sind zur Zeit in Bearbeitung und werden dann als Anwendungsregel Gültigkeit haben.

Das gekühlte DC-Ladesystem CCSplus zum Hochleistungsschnellladen mit bis zu 350 kW ermöglicht Ladezeiten von drei bis fünf Minuten für 100 km Reichweite. Das Ladesystem ebnet so den Weg für eine alltagstaugliche und einfache Schnellladung von Elektrofahrzeugen. Dem Ausbau der Ladeinfrastruktur stehen so alle Möglichkeiten offen.