Für eine erfolgreiche Verkehrswende ist die Ladeinfrastruktur für den batteriebetriebenen Schwerlast- und Personenverkehr entscheidend. Hier geht der Trend zu höheren Ladeleistungen und somit auch höheren Ladeströmen und -spannungen. Ein Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE entwickelte deshalb die für das XXL-Laden notwendigen leistungselektronischen Umrichter sowie ein Kontaktsystem für hohe Ströme und Spannungen. Durch eine hohe Taktfrequenz erreicht der isolierende DC/DC-Wandler eine volumetrische Leistungsdichte von 9 kW/l bei gleichzeitig rekordverdächtiger Effizienz von 99,26 Prozent. Für die volle Ladeleistung auch am leistungsbegrenzten Netzanschlusspunkt wurde ein Pufferspeicher integriert.
Im Fokus des Projekts stand die Weiterentwicklung bestehender Schnellladeinfrastruktur auf Basis des internationalen Standards Combined Charging System (CCS) hin zum neuen Megawatt Charging System (MCS). Weitere Projektpartner waren die Motion Control & Power Electronics GmbH, STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH, Mercedes-Benz Energy GmbH und das Fraunhofer IVI.
Ladesystem für Vielzahl an Fahrzeugen und Netzanschlüssen
Das Projektteam entwickelte im Rahmen des Forschungsprojekts die für das XXL-Laden nötigen Kernkomponenten: leistungselektronische Wandler wie der netzseitige Gleichrichter, eine modulare Zusammenschaltung von DC/DC-Wandlern zur galvanischen Trennung und DC/DC-Wandler zur Anpassung der Ladespannungen, sowie das Kontaktsystem für hohe Spannungen und Ströme. Ergänzt wurde das Ladesystem durch einen Pufferspeicher aus Second-Life-PKW-Batterien. Der Speicher verringerte die notwendige Netzanschlussleistung der Ladestation auf 500 kW, zudem puffert er hohe Lastspitzen und reduziert so die Netzbelastung.
Das im Projekt entwickelte MCS-System wurde flexibel ausgelegt, um einen möglichst großen Bereich an Ladespannungen bzw. Fahrzeugen abzudecken. Zum bisherigen CCS-Ladestandard ist es abwärtskompatibel. Das Projektteam untersuchte auch die modulare Verschaltung von bis zu vier Ladepunkten à 250 kW und die Einbindung von erneuerbaren Quellen (z.B. Photovoltaik-Anlagen) und Senken innerhalb des Systems. Der Solarstrom kann dabei sowohl direkt für die Ladestation genutzt werden als auch in den Pufferspeicher fließen.
Innovative Schaltungstopologien und hohe Schaltfrequenzen
Eine innovative Komponente des Projekts ist ein neuer ultrakompakter galvanisch trennender DC/DC-Wandler mit einer Übertragungsleistung von 250 kW. Um eine Ladeleistung von 1 MW bereitzustellen, werden vier dieser modularen Wandler parallelgeschaltet. Der Stromrichter basiert auf der grundlegenden Topologie eines Serien-Resonanz-Wandlers. Er arbeitet mit einer sehr hohen Taktfrequenz von bis zu 200 kHz, wodurch induktive Bauelemente wie der Hochfrequenz-Transformator und der Resonanzkreis kleiner ausgeführt werden können. Dies reduziert den Materialeinsatz und die Größe des Wandlers. Dank der hohen Taktfrequenz erreicht der Wandler eine volumetrische Leistungsdichte von 9 kW/l, was bei einer maximalen Effizienz von 99,26 Prozent in diesem Leistungsbereich ein weltweites Novum darstellt.
Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt.
