E-Autos: Ultra-Schnellladen per Projekt "FastCharge"

Die am Forschungsprojekt „FastCharge“ beteiligten Industrieunternehmen präsentierten die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der schnellen und komfortablen Energieversorgung von Elektrofahrzeugen. Im bayerischen-schwäbischen Jettingen-Scheppach wurde der Prototyp einer Ladestation mit einer Leistung von bis zu 450 kW eingeweiht. In diesem Projekt entstandene Elektro-Forschungsfahrzeuge demonstrieren an dieser Ultra-Schnellladestation Ladezeiten von weniger als 3 Minuten für die ersten 100 Kilometer Reichweite bzw. 15 Minuten für einen vollen Ladevorgang (10-80 % State of Charge (SOC)).

Die neue Ladestation ist für Elektro-Modelle aller Marken mit der in Europa üblichen Typ-2-Variante des weltweit verbreiteten Combined Charging System (CCS) geeignet und kann ab sofort kostenlos genutzt werden. 

Das im Juli 2016 gestartete Forschungsprojekt „FastCharge“ wird von einem Industriekonsortium unter der Führung der BMW Group betrieben, dem die Allego GmbH, die Phoenix Contact E-Mobility GmbH sowie die Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG und die Siemens AG angehören. „FastCharge“ wird mit insgesamt 7,8 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert. Die Umsetzung der Förderrichtlinien wird von der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) koordiniert.

Mit schnellem und komfortablem Aufladen steigt die Attraktivität von Elektromobilität. Die Steigerung der verfügbaren Ladeleistung auf bis 450 kW – dem Drei- bis Neunfachen der an bisherigen DC-Schnellladestationen maximal verfügbaren Leistung – ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Ladezeiten. 
Im Rahmen von „FastCharge“ wird untersucht, welche technischen Voraussetzungen an Fahrzeugen und Infrastruktur erfüllt werden müssen, um die extrem hohen Ladeleistungen einsetzen zu können.

Leistungsstarke Ladeinfrastruktur

Die Basis bildet eine leistungsstarke Ladeinfrastruktur. Das im Projekt eingesetzte Energieversorgungssystem von Siemens ermöglicht es, die Grenzen der Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterien zu erproben. Es kann schon heute mit höheren Spannungen von bis zu 920 Volt arbeiten, wie sie bei zukünftigen Elektrofahrzeugen erwartet werden. In das System wurden sowohl die Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse als auch die Kommunikationsschnittstelle zu den Elektrofahrzeugen integriert. Dieser Lade-Controller sorgt für eine automatische Anpassung der abzugebenden Leistung, so dass verschiedene Elektroautos mit einer Infrastruktur geladen werden können. Die flexible, modulare Architektur des Systems erlaubt es außerdem, mehrerer Fahrzeuge simultan zu laden. Dank des Ladens mit hohen Stromstärken und Spannungen ermöglicht es eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete, etwa für Flottenladelösungen oder, wie in diesem Fall, das Laden an Autobahnen. Für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz in Jettingen-Scheppach wurde im Projekt ein Ladecontainer mit zwei Ladeanschlüssen realisiert: Ein Anschluss hat eine bisher einmalige Ladeleistung von max. 450 kW, der Zweite gibt bis zu 175 kW ab. Beide Ladesäulen können ab sofort kostenlos mit allen CCS-fähigen Fahrzeugen genutzt werden.

Die jetzt vorgestellten Ladesäulen-Prototypen von Allego nutzen die Ladestecker des bewährten Combined Charging System (CCS) in der Typ-2-Variante für Europa. Dieser Ladestandard hat sich bereits heute bei einer Vielzahl von elektrifizierten Fahrzeugen bewährt und ist in weiten Teilen der Erde verbreitet.

Gekühlte HPC-Ladekabel

Um die beim schnellen Aufladen mit besonders hoher Leistung auftretenden Anforderungen zu erfüllen, kommen gekühlte HPC-Ladekabel (High Power Charging) von Phoenix Contact zum Einsatz, welche vollständig CCS-kompatibel sind. Als Kühlflüssigkeit wird ein umweltfreundliches Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, wodurch der Kühlkreislauf halboffen gestaltet werden kann. Dadurch ist die Wartung im Gegensatz zu hermetisch geschlossenen Systemen, die mit Öl arbeiten, vergleichbar einfach, z. B. wenn Kühlflüssigkeit nachgefüllt wird.

Eine Herausforderung bestand darin, die in der Ladeleitung befindlichen Kühlschläuche beim Anschließen an die Ladesäule nicht zu quetschen, wie es mit einer herkömmlichen Kabelverschraubung passieren würde. In diesem Fall würden der Kühlfluss und damit die Kühlleistung beeinträchtigt werden. Dieses Problem wurde von Phoenix Contact gelöst durch eine speziell entwickelte Wanddurchführung mit definierten Schnittstellen für Leistungsübertragung, Kommunikation und Kühlung sowie integrierter Zugentlastung.

Für Fahrzeuge mit 400-V- und 800-V-Batteriesystemen

Je nach Fahrzeugmodell kann die neue Ultra-Schnellladestation sowohl für Fahrzeuge mit 400-V, als auch 800-V-Batteriesystemen eingesetzt werden. Ihre Ladeleistung passt sich automatisch der maximal zulässigen Ladeleistung des Fahrzeugs an. Die Zeitersparnis, die durch höhere Ladeleistungen erzielt werden kann, lässt sich am Beispiel des BMW i3 Forschungsfahrzeugs darstellen. Für einen Ladevorgang von 10-80 % SOC der Hochvoltbatterie mit 57 kWh Netto-Kapazität werden nur noch 15 Minuten benötigt. Dies kann fahrzeugseitig durch den speziell entwickelten Hochvoltspeicher in Kombination mit einer intelligenten Ladestrategie erreicht werden. Dazu zählen u.a. die genaue Vorkonditionierung der Speichertemperatur bei Ladestart, Temperaturmanagement während des Ladevorgangs und ein perfekt abgestimmtes Profil der Ladeleistung über Zeit. Der Ladevorgang erfolgt über ein neuartiges fahrzeugseitiges Mehrspannungsnetz mit Hochvolt-DC/DC-Wandler (HV-DC/DC), indem die geforderte 800-V-Eingangsspannung der Ladesäule auf die niedrigere 400-V-Systemspannung des BMW i3 Forschungsfahrzeugs transformiert wird. Durch den HV-DC/DC kann das Fahrzeug auch rückwärtskompatibel an allen alten und zukünftigen Ladestationen Strom tanken. Entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb ist die gesicherte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule. Deswegen werden ebenso Standardisierungsthemen zur Interoperabilität erforscht und in Normierungsgremien gebracht.

Ladeleistung von über 400 kW und Ladezeiten von unter 3 Minuten

Das Porsche Forschungsfahrzeug mit einer Netto-Batteriekapazität von ca. 90 kWh erreicht eine Ladeleistung von über 400 kW und ermöglicht damit Ladezeiten von unter 3 Minuten für die ersten 100 km Reichweite.