Mit dem wachsenden Anteil von Elektrofahrzeugen steigt auch der Bedarf an leistungsfähiger Ladeinfrastruktur. Doch wie gelingt das schnelle, sichere und effiziente DC-Laden von Elektrofahrzeugen?
Grundlegende Informationen, wie eine Ladestation funktioniert und welche technischen Grundlagen bei der Ladetechnik zu beachten sind, sind im Abschnitt „Wie funktioniert eine Ladestation für Elektrofahrzeuge?“ ausführlich erklärt.
Besonders im öffentlichen Bereich ist DC-Laden (Gleichstromladen) der Schlüssel zu schnellem und effizientem Laden und längst unverzichtbar für die flächendeckende Versorgung von Elektrofahrzeugen. Insbesondere auf Langstrecken, an Autobahnraststätten oder wenn das Auto einfach mal schnell vollgeladen sein muss, um weiterzufahren.
Ab Ladeleistungen über 22 kW ist das DC-Laden erforderlich. Während das AC-Laden (Wechselstrom) vor allem im privaten Umfeld Anwendung findet, ermöglicht das öffentliche DC-Laden hohe Ladeleistungen bis hin zum Megawatt-Laden.
DC-Leistungselektronik als Herzstück einer Ladestation: Was ist das Besondere am DC-Laden?
Im Gegensatz zum AC-Laden, bei dem die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom im Fahrzeug erfolgt, übernimmt beim DC-Laden die Ladesäule die Aufgabe der Umwandlung. Die Besonderheit und zugleich ein Kostentreiber beim DC-Laden ist deshalb die DC-Leistungselektronik in der Ladesäule: Sie wandelt den Wechselstrom aus dem Energienetz in Gleichstrom um und speist ihn in die Fahrzeugbatterie ein.
DC-Ladestationen verfügen, ähnlich wie AC-Ladestationen, über spezielle Leistungsschütze, die das sichere Schalten hoher Ladeströme ermöglichen. Während im privaten Bereich meist geringere Ladeleistungen benötigt werden, kommen beim DC-Schnellladen im öffentlichen Raum deutlich höhere Stromstärken zum Einsatz. DC-Leistungsschütze sind dabei so konzipiert, dass sie bei Fehlerströmen oder anderen Störungen den Ladevorgang zuverlässig und sicher unterbrechen können. So wird maximale Sicherheit beim schnellen und effizienten Laden von Elektrofahrzeugen gewährleistet.
Mit der entsprechenden Leistungselektronik können neben dem klassischen AC-Netzstrom auch DC-Ströme umgeformt werden, d.h. hierbei wird bereits DC-Strom in die Ladesäule eingespeist und es muss lediglich das Spannungsniveau gewandelt werden. Man unterscheidet daher bei der Leistungselektronik zwischen AC/DC-Modulen und DC/DC-Modulen. Die erforderlichen hohen Ladeleistungen können durch Zusammenschalten mehrerer Leistungsmodule erreicht werden. Durch das 19-Zoll-Standardmaß können die Module sowohl direkt in die Ladesäule als auch in einem separaten Schaltschrank, Container oder Gebäude untergebracht und montiert werden.
Sicherheit durch fest installierte Ladekabel beim öffentlichen DC-Laden
Für das sichere und normgerechte DC-Laden von Elektrofahrzeugen ist ein fest installiertes DC-Ladekabel mit passendem Ladestecker an jeder DC-Ladestation unerlässlich. Moderne DC-Ladekabel sorgen für eine zuverlässige Verbindung zwischen Ladesäule und Elektrofahrzeug, und sind zudem ergonomisch, robust, langlebig und wartungsfreundlich. Laut gängiger Normen ist aufgrund der hohen DC-Ströme eine feste Installation des DC-Ladekabels an der Ladesäule vorgeschrieben, was ein entscheidender Faktor für maximale Sicherheit in der DC-Ladeinfrastruktur ist. Ein Anschließen des Fahrzeugs über ein mobiles Ladekabel wie beim AC-Laden ist beim DC-Laden somit normativ nicht erlaubt. Wer eine DC-Ladesäule plant oder betreibt, sollte auf hochwertige, normgerechte DC-Ladekabel und -stecker achten, um den reibungslosen und sicheren Betrieb der Ladeinfrastruktur zu gewährleisten.
Sicherheit und Effizienz durch flüssiggekühlte Ladestecker und Überwachung beim DC-Schnellladen
Sicherheit steht beim DC-Laden an oberster Stelle. Deshalb ist vor dem Leistungsschütz ist eine Sicherung einzubauen, um dem Ladevorgang vor Überströmen zu schützen. Zudem entsteht bei hohen Ladeleistungen durch den hohen Stromfluss und Umgebungseinflüsse wie Klima und Sonneneinstrahlung erhebliche Wärme. Daher ist spätestens ab 250-300 kW ein HPC-Ladekabel mit integrierter Flüssigkeitskühlung technisch notwendig, um Überhitzungen zu vermeiden.
Eine in der Ladesäule verbaute Kühleinheit pumpt dabei umweltfreundliches Kühlmittel, ein Wasser-Glykol-Gemisch, durch HPC-Ladekabel und -stecker. Die Temperaturmessung erfolgt über Sensoren an den Leistungskontakten sowie ggf., in der Leitung und auf der Microchip-Platine im Stecker.
Ein integrierter Leckagesensor überwacht zudem das Innere des Ladesteckers auf eventuell austretende Kühlflüssigkeit. Die DC-Ladesteuerung wertet die Zustände der Sensoren aus und kann damit die Kühlleistung optimal regeln und eine sichere Abschaltung des Ladevorgangs bei Undichtigkeiten oder Überhitzung gewährleisten. Die direkte Kommunikation zwischen Sensorik und Steuerung erhöht die Systemzuverlässigkeit und ermöglicht ein sicheres Schnellladen bei hohen Ladeströmen.
CCS-Ladedosen: Flexibles DC-Laden für maximale Kompatibilität
CCS-Ladedosen (Combined Charging System nach Norm IEC 62196-3) sind die etablierte Schnittstelle für das Laden von Elektrofahrzeugen, da sie sowohl das AC-Laden als auch das schnelle DC-Laden ermöglichen. Bei den beiden weit verbreiteten Standards CCS Typ 1 und CCS Typ 2 wird der obere Bereich von Ladedose und Stecker beim AC- als auch DC-Laden benötigt, während die unteren, speziellen DC-Kontakte nur zum DC-Laden verwendet werden.
Dadurch können Elektrofahrzeuge flexibel an AC-Ladestationen im privaten Bereich oder an DC-Schnellladestationen im öffentlichen Raum geladen werden und das über eine einzige Ladedose. Hersteller von Elektrofahrzeugen profitieren davon, dass sie nur eine Ladedose im Fahrzeug verbauen müssen: Es spart Bauraum, reduziert Kosten und erhöht die Kompatibilität mit unterschiedlichsten Ladeinfrastrukturen weltweit.
Im Gegensatz dazu erfordert der chinesische GB/T-Standard getrennte Ladedosen und Stecker für AC- und DC-Laden.
Für den nordamerikanischen Markt gewinnt der North American Charging Standard (NACS) zunehmend an Bedeutung und wird perspektivisch den CCS-Typ-1-Standard ablösen. Der Wechsel auf NACS , bei dem – ähnlich wie bei CCS – AC- und DC-Laden über nur eine Schnittstelle möglich ist, stellt daher einen wichtigen Schritt für den Ausbau der Ladeinfrastruktur und die Weiterentwicklung der Elektromobilität in Nordamerika dar.
Wie kommt der Ladestrom ins E-Fahrzeug? Eine anschauliche Erklärung im Video.
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