Auch bei begrenzter Netzanschlusskapazität könnten Busse und Lkw in Zukunft mit Leistungen im Megawattbereich geladen werden. Wie das geht, zeigt immerhin schon einmal das wissenschaftliche Pilotprojekt „HV-MELA-BAT“ am Fraunhofer ISE, das im Verbund mit mehreren Industriepartnern erarbeitet wurde. Dabei herausgekommen ist die Entwicklung eines neuen Ladesystems, das auch ersten Demonstrationstests unterzogen wurde.
Im Fokus des Projekts stand die Weiterentwicklung bestehender Schnellladeinfrastruktur auf Basis des Combined Charging System hin zum neuen Megawatt Charging System (MCS). Mit steigenden Ladeleistungen wachsen jedoch die Anforderungen an Leistungselektronik, Kontaktsysteme und Netzanschlüsse. Entsprechend entwickelte das Konsortium Komponenten wie Gleichrichter, einen DC/DC-Wandler sowie ein Kontaktsystem für hohe Spannungen und Ströme.
Um auch bei begrenzten Netzanschlussmöglichkeiten auf die hohen Leistungen zu kommen, setzt das System auf die Integration eines Pufferspeichers. Dieser basiert auf Second-Life-Batterien aus Elektrofahrzeugen und reduziert die erforderliche Netzanschlussleistung der Ladestation auf 500 Kilowatt. Gleichzeitig kann das System dennoch Ladeleistungen von mehr als einem Megawatt bereitstellen.
In Demonstrationsversuchen im Multi-Megawattlabor des Fraunhofer ISE wurde gezeigt, dass sich die fehlende Leistung durch den Speicher ausgleichen lässt. Auch Lastspitzen lassen sich so abflachen, wodurch die Netzbelastung sinkt. Überdies ermöglicht das System die Einbindung erneuerbarer Energiequellen wie Photovoltaik, deren Strom entweder direkt genutzt oder zwischengespeichert werden kann.
Foto: Fraunhofer ISE/Foto: Jörg Bornwasser
Modulares System für unterschiedliche Anwendungen
Das entwickelte Ladesystem ist modular aufgebaut und auf unterschiedliche Fahrzeugklassen sowie Ladespannungen ausgelegt. Es bleibt zudem abwärtskompatibel zum bestehenden CCS-Standard. Im Projekt wurde unter anderem die Verschaltung von bis zu vier Ladepunkten mit jeweils 250 Kilowatt untersucht.
Kern der Architektur ist ein gemeinsamer DC-Bus, über den Batterie, AC-Netz und Ladepunkt gekoppelt werden. Die Leistungselektronik basiert auf modularen DC/DC-Wandlern der Firma Motion Control & Power Electronics, die sich flexibel miteinander verschalten lassen.
Eine Innovation des Projekts ist ein neu entwickelter galvanisch trennender DC/DC-Wandler mit einer Übertragungsleistung von 250 Kilowatt. Vier dieser Module werden für eine Ladeleistung von einem Megawatt parallelgeschaltet.
Der Wandler erreicht laut Fraunhofer ISE eine Effizienz von 99,26 Prozent bei einer volumetrischen Leistungsdichte von neun Kilowatt pro Liter. Möglich wird dies durch eine hohe Schaltfrequenz von bis zu 200 Kilohertz und eine entsprechende Miniaturisierung der induktiven Bauteile. In dieser Leistungsklasse stellt dies nach Angaben der Projektpartner ein besonders gutes Ergebnis dar.
Neben dem Fraunhofer ISE waren unter anderem Motion Control & Power Electronics, STS Spezial-Transformatoren Stockach, Mercedes-Benz Energy sowie das Fraunhofer IVI beteiligt. Gefördert wurde das Projekt vom Bundeswirtschaftsministerium.
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