Pressemitteilung

Grundlagen für 3 MW-Schnellladen von LKWs gelegt

Der Güterverkehr auf der Straße verursacht 7,5 Prozent der deutschen Treibhausgas-Emissionen, weshalb die Elektrifizierung dieses Verkehrsbereichs ein wichtiger Hebel für den Klimaschutz ist. Der Ausbau einer leistungsfähigen Ladeinfrastruktur ist dabei entscheidend für die Akzeptanz und Alltagstauglichkeit vollelektrischer Nutzfahrzeuge. Im Projekt »NEFTON« wurde nun erstmals ein Ladestrom von 3.000 Ampere erreicht, womit zukünftig Ladeleistungen von mehr als einem Megawatt möglich werden. Dafür wurden neben einer hocheffizienten und bidirektionalen Megawatt Ladesäule auch Komponenten für Ladeströme mit bis zu 3000 Ampere entwickelt und erfolgreich getestet. Die Ergebnisse hat das Konsortium in einem Bericht zusammengefasst.
Fraunhofer ISE

Während für PKW Ladeleistungen von 11 Kilowatt für einen normalen und 120 bis 400 kW für einen Schnellladevorgang ausreichend sind, werden für E-LKW deutliche größere Energiemengen benötigt. Für das Energiesystem und die angeschlossene Ladeinfrastruktur stellt das eine besondere Herausforderung dar. Für diese Leistungsklasse gilt der Megawatt-Charging-Standard (MCS) mit 1250 Volt und 3.000 Ampere. Technisch ist dieser bei Ladestationen bisher nicht ausgereizt, der Stand der Technik liegt um 1 MW Ladeleistung. 

Die Partner des Verbundprojekts »NEFTON- Nutzfahrzeugelektrifizierung für Transportsektor-optimierte Netzanbindung« haben ein nutzerspezifisches, kostenoptimales Nutzfahrzeugkonzept und dessen Antriebs- und Ladesystem nach MCS entwickelt. Dafür wurden zunächst Daten gesammelt und in Nutzer- und Anforderungsprofile überführt. Auf dieser Basis wurden Simulationsmodelle zur Fahrzeug- und Antriebsauslegung erstellt, um verschiedene Konzepte analysieren und bewerten zu können. Neben der technischen Machbarkeit wurden die Systeme bezüglich Effizienz, Kosten und Nachhaltigkeit verglichen.

Aus Sicht von MAN Truck & Bus stellt das im Projekt NEFTON erreichte Ergebnis einen wichtigen Meilenstein für das zukünftige Laden von Nutzfahrzeugen dar. Erstmals konnte ein vollständiger Ladepfad im fahrzeugnahen Prüfstandsaufbau stabil mit 3.000 Ampere betrieben werden. »Damit wird perspektivisch möglich, in etwa 10 bis 15 Minuten Energie für mehr als 400 Kilometer Reichweite nachzuladen«, erklärt Fabian Schweizer, Projektleiter bei MAN. Voraussetzung dafür ist jedoch eine neue Generation von Batteriesystemen, die speziell auf sehr hohe Ladeleistungen ausgelegt ist. Die Projektergebnisse fließen direkt in die Weiterentwicklung seriennaher Hochstrom-Ladelösungen ein.

An der Technischen Universität München (TUM) wurde ein Prüfstand für Hochstromversuche aufgebaut, um das Laden von E-LKW im Megawattbereich experimentell zu untersuchen. Dabei wurden sowohl einzelne Komponenten als auch der gesamte Ladepfad bei Strömen bis 3.000 Ampere getestet und hinsichtlich ihrer thermischen Tragfähigkeit bewertet. Die Versuche bestätigten, dass die eingesetzten Systeme auch unter hohen elektrischen und thermischen Belastungen zuverlässig betrieben werden können. »Mit dem erfolgreichen Aufbau unseres Niedervolt-Prüfstands und dem Erreichen von 3.000 Ampere konnten wir einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung der Megawatt-Ladetechnologie leisten. Damit schaffen wir eine wesentliche Grundlage, um das 3-MW-Laden für den industriellen Einsatz vorzubereiten«, erklärt Prof. Malte Jaensch.

Neue Laborinfrastruktur macht Hochleistungstests möglich

Die höheren Leistungsklassen im Megawatt-Bereich verlangen nicht nur neue Lade- und Fahrzeugtechnologie, sondern auch neue Prüftechnik mit höheren Anschlussleistungen. Das Fraunhofer ISE verfügt über 40 MW Anschlussleistung an Prüffeldern der Nieder- und Mittelspannung. Im Rahmen von NEFTON hat das Megawatt-Labor des Fraunhofer ISE sein Portfolio erweitert, um auch die Anlagen von Hochleistungsladesysteme hinsichtlich der erforderlichen Netzanschlussbedingungen testen zu können. Die Prüfanlagen des Fraunhofer ISE wurden in dem Projekt zusammen mit TU München und MAN genutzt, um Prototypen von DC-Schützen bis 12 kA Kurzschlussstrom zu untersuchen und das elektromechanische Gesamtsystem von Ladekabel, Stecker und Verteilung bis zu den Fahrzeugbatterien unter den Nennbedingungen von 3.000 A und bis zu 1.250 V zu betreiben.

Aufgrund der hohen Kurzschlussleistungen, insbesondere in Verbindung mit Batteriesystemen, sind für diese Tests besondere bautechnische Sicherheitsvorkehrungen nötig: Wegen der Gefahr von Lichtbögen, Druckwellen und Splitter erfolgt die Prüfung ferngesteuert und in geschützten Räumen. »Die neuen Teststände sind in die bestehende Laborinfrastruktur des Megawatt-Labors eingebettet, sodass wir nicht nur einzelne Ladesäulen, sondern auch größere Systeme testen können«, erklärt Dirk Kranzer, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Insbesondere durch die Einbindung in die Fault-Ride-Through-Prüfanlage, die kurzzeitige Spannungseinbrüche simuliert, können alle regelungstechnischen Anforderungen der Netzanschlussbedingungen getestet werden.

Ladestationen als hybride Kraftwerke

Das ist wichtig, weil große Verbraucher wie Megawatt-Ladestationen mehr und mehr zu Netzdienlichkeit herangezogen werden. Da diese MW-Ladesysteme aus ökonomischen Gründen zusammen mit stationären Speichern und Photovoltaik-Systemen im Megawatt-Bereich errichtet werden, müssen sie als hybride Kraftwerke betrachtet werden. Die optimale Einbindung von Speicher und PV erlaubt es Speditionen, mit der Umstellung auf E-Trucks zu beginnen, ohne auf den vollen Netzausbau warten zu müssen. Hierfür erstellt das Fraunhofer ISE auch Planstudien, die nicht nur die Energieeffizienz berücksichtigen, sondern auch auf die ökonomischen Anforderungen des Logistikbetriebs optimiert sind. Nach einer aktuellen Studie können Logistikunternehmen, die für die Elektrifizierung ihrer Flotte auf die Kombination aus PV und stationärem Batteriespeicher setzen, ihre jährlichen Stromkosten um bis zu 62,5 Prozent senken.