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Laden mit 500 kW: High-Power-Charging wird alltagstauglich

Mit der von Phoenix Contact entwickelten Ladetechnik High-Power-Charging (HPC) lädt der Akku von Elektroautos in drei bis fünf Minuten für 100 km Reichweite. Herzstück ist ein Hochleistungs-Ladestecker mit intelligenter Kühlung, der einen Ladestrom von bis zu 500 A erlaubt.

Phoenix Contact Bildquelle: © Phoenix Contact

Die nächste Ausbaustufe des DC-Schnellladens mit gekühlten DC-Ladesteckern: Ladezeiten von nur 3 bis 5 Minuten für 100 km Reichweite ermöglichen den bedarfsgerechten Ausbau der Ladeinfrastruktur.

Bisher waren beim Combined Charging-System (CCS, kombiniertes Ladestecksystem) Ladeströme bis zu 200 A technisch umsetzbar. Für besonders kurze Ladezeiten sind jedoch deutlich höhere Ströme nötig. Künftig soll demnach eine Ladeleistung des Stecksystems von bis zu 500 kW möglich sein, sodass die Aufladung für 100 km Reichweite schon in drei Minuten erfolgen kann.

Die technischen Herausforderungen, diese hohe Ladeleistung umzusetzen, finden sich entlang der gesamten Ladekette. Auf der Fahrzeugseite liegt der Fokus auf einer optimierten Batterietechnik. Hier werden ultraschnellladefähige Batteriezellen benötigt, die auch bei erhöhten Ladezyklen alterungsbeständig sind. Zudem soll eine verbesserte Speichertechnik die Reichweite erhöhen bzw. bei gleicher Batteriegröße und gleichen Batteriekosten verdoppeln. Auch die Schnittstelle zur Infrastruktur, das Fahrzeug-Inlet, und die Infrastruktur selbst müssen für die hohe Ladeleistung ausgelegt sein.

Thermische Belastung bei 500 kW

Höhere Ladeströme bedingen eine höhere Erwärmung und Belastung des Materials – dies gilt es aber zu vermeiden. Laut der Richtlinie VDE-AR-E 2623-5-3 und der Norm IEC TS 62196-3-1 dürfen die Kontakte des Ladesteckers während eines Ladevorgangs maximal 50 K wärmer als die Umgebungsluft sein (ΔTmax = 50 K). Beim Durchgang eines Stromes I entsteht am Kontakt mit dem Übergangswiderstand R eine Verlustleistung Pv, die zu einer thermischen Beanspruchung der Kontakte führt:

Pv = I2 ∙ R

Während des Gebrauchs werden die Kontakte elektrisch, mechanisch und durch Umwelteinflüsse belastet. Das Belastungsspektrum ist dabei teilweise extrem: eine Lebensdauer von mehreren Jahren, bis zu zehntausend Steckzyklen, Umgebungsbedingungen mit Temperaturen von –30 °C bis +50 °C. Und das auch bei hoher Luftfeuchte, Staub oder Spritzwasser.

Um die thermische Beanspruchung zu reduzieren, muss die Verlustleistung minimiert werden – mittels optimierter Leiteranschlusstechnik, einer geeigneten Oberfläche der Kontakte sowie einer definierten Kontaktnormalkraft. Abgeführt wird die entstandene Wärme überwiegend über die angeschlossene Ladeleitung durch Wärmeleitung, die anschließend über Konvektion an die Umgebung abgegeben wird. Das Kupferkabel wirkt wie ein Kühlkörper – eine Erhöhung des Leiterquerschnitts würde die thermische Beanspruchung des Ladesystems deutlich reduzieren und die Handhabbarkeit des Ladekabels einschränken.