Fraunhofer ISE MS-Tankstelle: Schnellladestation ermöglicht Spitzenlasten von mehreren Megawatt

Das Projekt MS-Tankstelle des Fraunhofer ISE ermöglicht künftig Schnellladestationen, die mit Mittelspannung funktionieren. Das Ziel: Ein flotteres Laden.

Mit der steigendenden E-Mobilität in Deutschland steigt auch der Bedarf an Schnellladestationen, die ähnlich wie heutige Tankstellen eine große Anzahl an Fahrzeugen gleichzeitig bedienen können. Da das elektrische Laden langsamer verläuft als der Tankvorgang, sind an Tankstellen in Zukunft statt acht Zapfsäulen etwa 15 bis 25 Ladepunkte nötig, um die gleiche Fahrzeuganzahl in gleicher Zeit zu bedienen. Doch das Niederspannungsnetz, das aktuell Schnellladepunkte mit Strom versorgt, kann die Last irgendwann nicht mehr stemmen. Das Projekt „MS-Tankstelle“ des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) soll Schnellladestationen kompatibel für das Mittelspannungsnetz machen.

Beim parallelen Schnellladen rufen Elektrotankstelle etwa 1,5 bis 3,5 Megawatt Leistung ab. Selbst bei geringer Auslastung der Tankstelle würde die nötige Leistung von 300 kW die Kapazitäten der Niederspannungsnetze übersteigen. Auch die Verteilung innerhalb der Tankstelle oder des Parkhauses sollte nicht im Niederspannungsnetz erfolgen, da die langen Kabelwege – bei 25 Ladepunkten 100 Meter und mehr – und die hohen Leistungen zu hohen Installationskosten beziehungsweise hohen Verlusten in den Kabeln führen.

MS-Tankstelle: Ab ins Mittelspannungsnetz

Das im Projekt „MS-Tankstelle“ mit den Partnern Sumida Components & Modules, Infineon Technologies und AEG Powersolutions entwickelte leistungselektronische System für Ladestationen setzt daher auf ein Mittelspannungsnetz, das mit einem Gleichrichter auf einer Spannung von 1500 VDC betrieben wird. Die höhere Spannungsebene führt zu einer höheren Leistung bei gleicher Stromstärke, ohne dass der Kabelquerschnitt größer werden muss. Durch den deutlich geringeren Kupferverbrauch wird zudem ein wesentlicher Beitrag zum Umwelt- und Ressourcenschutz geleistet. 

Der Wert von 1500 VDC wurde gewählt, da dies die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. In Folgeprojekten ist geplant, die Spannung darüber hinaus zu steigern.

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Modularer Ansatz für verschiedene Schnellladestationen

Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das Gleichstrom- (DC)-Verteilnetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Gleichstromwandler mit einer Leistung von je 175 kW sind so konzipiert, dass sie im System problemlos parallelgeschaltet werden können. Dieser modulare Ansatz erlaubt es, sowohl Ladestationen mit geringerer Leistung für PKW als auch Stationen mit größerer Leistung für LKW zu bauen.

m Gegensatz zur heimischen Wallbox müssen Ladestationen kompatibel für verschiedene Fahrzeugtypen sein. Das im Projekt entwickelte Konzept mit einem zentralen Gleichrichter und einer 1500 V-DC-Verteilung hat den Vorteil, dass die Netzanschlusskomponenten (Transformator und Gleichrichter) unabhängiger von der Ladeelektronik dimensioniert und skaliert werden können. Mit Blick auf den großen Bedarf an Leistungselektronik und Komponenten wie Kabeln und Transformatoren wird der Materialbedarf im Vergleich zu aktuellen Lösungen deutlich reduziert.

Für einen unkomplizierten Ladeprozess soll die Station mit den in Europa dominierenden Standards CCS1 und CCS2 (Combined Charging System) voll kompatibel sein, also für Stromstärken bis 500 A und eine Spannung bis 1000 V in den Fahrzeugen.  Darüber hinaus soll das Konzept auch den MCS-Standard (Megawatt Charging System )unterstützen. Für diesen ist eine zweite Umrichtermodul-Variante geplant, für die lediglich einige Komponenten angepasst werden müssen.

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