Schnell laden an jedem Ort

Onboard-Konvertierung sorgt für Kompatibilität von 800-V-Autos

19. Oktober 2022, 10:30 Uhr | Autor: Haris Muhedinovic, Redaktion: Irina Hübner
Die Inkompatibilität zwischen Ladeinfrastruktur und 800-V-Fahrzeugen ist eine der Hauptursachen für Reichweitenangst. Eine Lösung: Das bestehende Ladenetz zu erweitern oder bordeigene Ladegeräte mit jeder DC-Schnellladestation kompatibel machen
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Die Inkompatibilität zwischen der Ladeinfrastruktur und 800-V-Fahrzeugen ist mittlerweile eine der Ursachen für Reichweitenangst. Eine Lösung dieses Problems ist es, das bestehende Ladenetz zu erweitern. Die Alternative: Bordeigene Ladegeräte mit jeder DC-Schnellladestation kompatibel machen.

Die Automobilhersteller bringen immer mehr neue Elektrofahrzeuge mit 800-V-Batterien auf den Markt, die nicht nur stärkere Antriebe und eine höhere Leistungsfähigkeit aufweisen, sondern auch schnellere Ladezeiten ermöglichen. Allerdings gibt es Inkompatibilitätsprobleme beim DC-Schnellladen. Um 800-V-Elektrofahrzeuge schnell aufladen zu können, müssen dafür geeignete Ladestationen verwendet werden – und nicht die heue üblichen 400-V-Gleichstromladestationen, die auch erhebliche Einschränkungen in Bezug auf Stromstärke, Kabelwärmemanagement und Spannungsbereich mit sich bringen.

Inkompatibilität bei DC-Schnellladestationen

Das Problem der Inkompatibilität beschränkt sich im Wesentlichen auf das Gleichstromladen, das in der Regel für Langstreckenfahrten mit begrenzt zur Verfügung stehender Zeit sowie beschränktem Zugang zu Ladestationen zum Einsatz kommt. Das Wechselstromladen für den täglichen Gebrauch stellt kein Problem dar, da die bestehende Netzinfrastruktur für das Wechselstromladen durchaus ausreicht. AC-Ladestationen sind für E-Auto-Besitzer in der Regel leicht zugänglich – das Laden kann beispielsweise zu Hause (über Nacht) oder am Arbeitsplatz (tagsüber) erfolgen, wo die Ladegeschwindigkeit nicht entscheidend ist. Für den täglichen Gebrauch oder für Kurzstrecken ist das Laden mit Wechselstrom ideal und für tägliche Fahrten bis 300 km die billigste und praktikabelste Lösung.

Langstreckenfahrten erfordern jedoch ein schnelles Aufladen an öffentlichen Orten, zum Beispiel an einer Autobahnraststätte. In solchen Fällen kommen DC-Schnellladestationen mit mehr als 50 kW Leistung ins Spiel. In der Spitze erzielen diese bis zu 150 kW oder sogar bis zu 350 kW. Auch wenn der durchschnittliche E-Auto-Fahrer Gleichstromladestationen weniger häufig nutzt als Wechselstromladestationen, ist ein solides Netz dieser Art entscheidend zur Verringerung der Reichweitenangst.

Im Jahr 2020 unterstützten in Europa nur 400 von insgesamt 40.000 Ladestationen 800-V-Fahrzeuge. Dieses Ungleichgewicht zwischen 400-V- und 800-V-Ladestationen ist ein großes Problem, wenn OEMs neue 800-V-Fahrzeuge auf den Markt bringen. Die öffentliche Ladeinfrastruktur für diese Fahrzeuge ist bislang unzureichend.

Mögliche Ansätze für DC-Schnellladen

Grundsätzlich gibt es zwei Ansätze zur Lösung des DC-Schnellladeproblems. Der eine konzentriert sich auf die Erweiterung bzw. Modifizierung des DC-Schnellladenetzes, der andere auf Modifizierungen am Fahrzeug.

Bei der Batterievirtualisierung »sieht« das Ladegerät eine 400-V-Batterie auf einer Seite des Onboard-Ladegeräts, obwohl auf der anderen Seite eine 800-V-Batterie angeschlossen ist
Bild 1. Bei der Batterie-virtualisierung »sieht« das Ladegerät eine 400-V-Batterie auf einer Seite des Onboard-Ladegeräts, obwohl auf der anderen Seite eine 800-V-Batterie angeschlossen ist.
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Der Ausbau des Netzes an DC-Schnellladestationen kann das Problem zwar lindern, ist aber nicht unbedingt der schnellste und kostengünstigste Weg. Zur Erweiterung des DC-Schnellladenetzes gibt es wiederum zwei Herangehensweisen:

➔ Zusätzliche 800-V-Stationen: Die Installation neuer DC-Schnellladestationen mit breitem Spannungsbereich (von 250 V bis 920 V) ist eine denkbare Lösung. Sie erfordert jedoch erhebliche Investitionen an Zeit und Geld. In Europa und den USA zusammen gibt es derzeit etwa 1.000 Ladestationen mit 800-V-Fähigkeit, was aber nur etwa zwei Prozent aller verfügbaren DC-Ladestationen ausmacht. Um der wachsenden Anzahl an 800-V-Elektrofahrzeugen gerecht zu werden, müsste man das Netz um eine Vielzahl weiterer Stationen erweitern – eine langwierige und kostspielige Angelegenheit.

➔ Nutzung von 400-V-Stationen: Ein anderer Ansatz ist die Nutzung der 400-V-Stationen und deren Aufrüstung für 800 V, was jedoch mit einer Reihe neuer Herausforderungen verbunden ist. Ladevorgänge mit sehr hoher Leistung (>150 kW) stehen nicht immer zur Verfügung und sind aus verschiedenen Gründen (Temperatur, Batterieverschleiß usw.) nicht immer möglich. Außerdem wäre das Laden für 800 V deutlich langsamer als gewünscht.

Onboard-Laden mit virtueller DC/DC-Batterie

Im Gegensatz zum Ausbau des Ladenetzes sind Onboard-Umwandlungslösungen ein ganzheitlicherer Ansatz, um eine 400-V- oder 800-V-Kompatibilität zu ermöglichen. Dieses Konzept lässt sich viel schneller und ohne Kapitalinvestitionen in die Ladeinfrastruktur umsetzen.

Eine Batterievirtualisierung kann die Inkompatibilität zwischen 800-V-Batterien und 400-V-Ladegeräten lösen. Bei der Batterievirtualisierung »sieht« das Ladegerät eine 400-V-Batterie auf der einen Seite des Onboard-Ladegeräts, obwohl auf der anderen Seite eine 800-V-Batterie angeschlossen ist. Dieses Konzept geht von der Batteriespannung aus und passt sie an den für die Ladestation akzeptablen Spannungsbereich an (Bild 1). Mit den Vicor-Power-Modulen und deren hoher Leistungsdichte lässt sich eine Onboard-Ladelösung mit DC/DC-Wandlern für die Batterievirtualisierung ohne Zunahme von Größe, Gewicht und Designkomplexität realisieren.

Die bidirektionalen NBM-Module von Vicor wandeln eine Leistung von mehreren zehn Kilowatt um
Bild 2. Die bidirektionalen NBM-Module von Vicor wandeln eine Leistung von mehreren zehn Kilowatt um
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Die bidirektionalen NBM-Module von Vicor wandeln eine Leistung von mehreren zehn Kilowatt um und erreichen dabei eine Leistungsdichte von 550 kW/l und 130 kW/kg (Bild 2). Dabei sind die Leistungswandler um mindestens 50 Prozent kleiner und leichter als bei diskreten Lösungen. Die von Vicor entwickelte SAC-Topologie (Sine Amplitude Converter) gewährleistet ein sanftes Schalten auf der Primär- und Sekundärseite und erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent. Dieses Verhalten impliziert ein einfaches EMV-Design und ermöglicht ein flexibles Kühlungsmanagement.

Beim Anschluss einer Batterie an eine Seite eines NBM-Moduls erfolgt auf der anderen Seite eine sofortige Virtualisierung der Batterie, wobei die Spannung oder der Strom mit einem konstanten Faktor geteilt oder multipliziert wird. Letztlich erweitern NBM-Module den Spannungsbereich von Ladestationen (250 – 460 V bis 500 – 920 V), wodurch sich die Anzahl der insgesamt verfügbaren Ladepunkte erhöht und Elektrofahrzeuge mit allen DC-Ladestationen kompatibel werden.

Ein durchdachtes Antriebsstrangdesign und ein Controller mit hoher Bandbreite ermöglichen diese Batterievirtualisierung. Zudem vereinfacht die Verpackungstechnologie von Vicor nicht nur die Montage und Fertigung, sondern bietet auch Flexibilität und Skalierbarkeit bei der Leistung. OEMs können skalierbare Ladeleistungspakete von 50 bis 150 kW mit demselben Modul konfigurieren, ohne dass zusätzliche Qualifikationen und Zertifizierungen erforderlich sind.

Das NBM bietet nicht nur eine Batterievirtualisierung für das Laden, sondern lässt sich auch in die Antriebsbatterie integrieren und ermöglicht auf diese Weise eine höhere Effizienz beim Fahren mit niedrigen Drehzahlen. Zum Beispiel erfordert das Fahren in der Stadt niedrigere Drehzahlen und der Wirkungsgrad des 800-V-Antriebsumrichters sinkt dabei erheblich – um mehr als 15 Prozent. Das NBM lässt sich dazu nutzen, den Wechselrichter mit der Hälfte der Batteriespannung zu versorgen, wodurch sich die Schaltverluste halbieren und die Reichweite steigt. Dieser zusätzliche Vorteil zeigt, wie ein integrierter, modularer Ansatz das Stromversorgungsnetz durch eine partielle Nutzung des DC/DC-Wandlers optimieren und so den Spitzenwirkungsgrad sichern kann.

Onboard-Boost-Konvertierung beseitigt Reichweitenangst

Auch wenn die Ladeinfrastruktur im Zuge der zunehmenden Verbreitung von E-Fahrzeugen sicherlich weiter ausgebaut wird, lässt sich das Problem der 400-V-/800-V-Kompatibilität nicht allein durch einen Ausbau lösen. Die effektivste Lösung zur Verringerung der Reichweitenangst ist die Entwicklung von Onboard-Ladegeräten, die mit jedem DC-Schnellladegerät kompatibel sind.

Die Onboard-Lösung von Vicor nutzt leistungsfähige Power-Module und ermöglicht volle Kompatibilität zwischen 800-V-Fahrzeugen und DC-Ladenetzen bei minimalen Investitionen und maximalem Nutzen. Im Durchschnitt ist die Vicor-Lösung nur halb so groß und schwer wie die meisten diskreten Lösungen. Zugleich bietet sie einen sehr hohen Wirkungsgrad und beste Skalierbarkeit. Leistungsmodule von Vicor sind dank ihrer Kombination aus hoher Leistungsdichte, Flexibilität und Effizienz als smarte Onboard-Lösung geeignet, um das Kompatibilitätsproblem beim Laden von 400-V-/800-V-Elektrofahrzeugen zu lösen.

 

Der Autor

 

Haris Muhedinovic von Vicor
Haris Muhedinovic von Vicor.
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Haris Muhedinovic

ist Senior Field Application Engineer EMEA Automotive bei Vicor. Er arbeitet gemeinsam mit OEMs und Automotive-Lieferanten daran, leistungsfähige Stromversorgungen für die anspruchsvollsten Automobilanwendungen zu entwerfen und zu entwickeln. Er hat seinen Master of Science an der Universität Sarajevo gemacht und verfügt über sieben Jahre Erfahrung in der Leistungselektronik in den Bereichen Design und Anwendungstechnik.


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