Was höhere Ladeleistung für Gleichstromsysteme von Elektrofahrzeugen bedeutet

Das Laden von Elektrofahrzeugen geht in eine Phase mit höherer Leistung über.

Die öffentliche Ladeinfrastruktur wird ausgebaut, wobei Schnell- und Ultraschnellladegeräte einen immer größeren Anteil an Neuinstallationen ausmachen. Neuere Elektrofahrzeugplattformen setzen zudem auf höhere Batteriespannungen; 800-V- und sogar 1000-V-Architekturen kommen auf den Markt.

Für Ladegeräte wirft diese Entwicklung eine recht einfache Frage auf: Was ändert sich, wenn die Ladeleistung erhöht wird?

Die Lösung ist nicht einfach nur ein größerer Leistungswandler.

Spannung und Stromstärke bewegen sich gemeinsam

Die Ladeleistung hängt sowohl von der Spannung als auch vom Strom ab. Durch Erhöhung der Systemspannung kann die gleiche Leistung bei geringerem Strom abgegeben werden.

Um beispielsweise 350 kW bei 400 V zu liefern, wird theoretisch ein Strom von etwa 875 A benötigt. Bei 800 V reduziert sich der Strom auf etwa 438 A.

Dies ist wichtig, da der Strom einen direkten Einfluss auf die Leiterverluste und die Wärmeentwicklung hat. Bei gleicher Leistung kann daher eine höhere Spannung dazu beitragen, die Verluste im Ladepfad zu reduzieren.

Die Reduzierung des Stroms beseitigt jedoch nicht die elektrischen Herausforderungen. Das Ladesystem muss weiterhin eine höhere Gleichspannung entlang des gesamten Strompfads bewältigen, einschließlich Schaltgeräten, Schutzkomponenten, Stromschienen, Steckverbindern und Isolationssystemen.

Der Gleichstrompfad gewinnt an Bedeutung

Ein Hochleistungsladegerät enthält eine Reihe von Komponenten zwischen der Leistungswandlungsstufe und dem Fahrzeug.

Der Strompfad kann Sammelschienen, Kabel, Steckverbinder, Schütze, Sicherungen und andere Schutz- oder Schalteinrichtungen umfassen. Ihre Nennwerte können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden, da die Betriebsbedingungen eines Systemteils die Anforderungen eines anderen beeinflussen können.

Ein in einem Ladesystem für Elektrofahrzeuge eingesetzter Gleichstrom-Schütz muss beispielsweise mit der erforderlichen Spannung und dem erforderlichen Strom arbeiten und gleichzeitig die tatsächlichen Schaltbedingungen der Anwendung bewältigen.

Das Gleiche gilt für Gleichstromsicherungen. Der Nennstrom ist wichtig, aber nur ein Teil des Auswahlprozesses. Systemspannung, verfügbarer Kurzschlussstrom, Abschaltvermögen, Temperatur und Installationsbedingungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Dies gewinnt an Bedeutung, da Ladegeräte immer höhere Leistungsstufen erreichen.

Wärmemanagement ist weiterhin wichtig

Eine höhere Systemspannung kann dazu beitragen, den Strom bei gleicher Leistung zu reduzieren, die Wärmeentwicklung bleibt jedoch ein wichtiger Faktor.

Im gesamten Ladesystem treten Leistungsverluste auf, unter anderem an Verbindungen, Leitern, Schaltkomponenten und Leistungswandlerstufen. Kontinuierlicher Betrieb mit hoher Leistung kann diese Verluste verstärken, insbesondere in kompakten Ladegeräten.

Aus diesem Grund ist die Kühlung auch zu einem wichtigen Bestandteil der Konstruktion von Hochleistungsladegeräten geworden.

In manchen Anwendungen benötigt das Ladekabel selbst eine aktive Kühlung, um sehr hohe Ströme zu bewältigen, ohne dass es zu schwer oder unhandlich wird. Auch die Leistungselektronik und andere wärmeerzeugende Bauteile im Inneren des Ladegeräts müssen innerhalb ihres spezifizierten Temperaturbereichs arbeiten.

Bei der Auswahl der Komponenten muss daher die tatsächliche thermische Umgebung berücksichtigt werden, anstatt sich nur auf die Nennspannung und Nennstromstärke zu konzentrieren.

Die Schutzanforderungen ändern sich mit dem System

Bei Gleichstromsystemen mit höherer Leistung ist zudem eine sorgfältige Berücksichtigung des Fehlerschutzes erforderlich.

Ein Ladesystem muss auf Kurzschlüsse und andere Störungen angemessen reagieren und den betroffenen Stromkreis isolieren. Sicherung, Schütz und andere Schutzeinrichtungen müssen innerhalb der Spannungs- und Fehlerbedingungen des Systems funktionieren.

Dies ist insbesondere für Hochspannungsarchitekturen relevant, da die Unterbrechung von Gleichstromfehlern mit steigender Systemspannung anspruchsvoller wird.

Die Schutzkonzeption muss daher zusammen mit der elektrischen Architektur betrachtet werden und darf nicht als separater Schritt der Komponentenauswahl behandelt werden.

Über 800 V

800V hat sich zu einem wichtigen Bezugspunkt für leistungsstarke Elektrofahrzeugplattformen entwickelt, aber die Branche geht bereits darüber hinaus.

1000-V-Plattformen für Elektrofahrzeuge im Personenverkehr kommen auf den Markt, während gleichzeitig ultraschnelle Ladeverfahren und Ladesysteme im Megawattbereich für Anwendungen entwickelt werden, bei denen eine Verkürzung der Ladezeit besonders wichtig ist.

Bei Personenkraftwagen wird die Ladeleistung zunehmend davon abhängen, wie gut Fahrzeug und Ladeinfrastruktur zusammenarbeiten.

Bei Nutzfahrzeugen und Elektro-Lkw sind die Anforderungen noch höher. Für Schwerlastanwendungen wird das Laden im Megawattbereich entwickelt, da kürzere Ladezeiten die Fahrzeugauslastung direkt beeinflussen können.

Mit der Weiterentwicklung dieser Systeme muss der Gleichstrompfad höhere Spannungen, höhere Dauerströme, anspruchsvollere thermische Bedingungen und immer ausgefeiltere Schutzanforderungen erfüllen.

Entwurf des Gleichstromsystems als Ganzes

Der Trend hin zu schnellerem Laden von Elektrofahrzeugen verändert mehr als nur die Nennleistung des Ladegeräts.

Spannungspegel, Stromstärke, thermische Bedingungen, Schaltverhalten und Fehlerschutz hängen eng zusammen. Komponenten wie Gleichstromschütze und Sicherungen müssen daher entsprechend den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Ladesystems und nicht allein nach ihren Nennwerten ausgewählt werden.

Für Hersteller von Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird dieser systemweite Ansatz mit dem stetigen Anstieg der Ladeleistung immer wichtiger.