1. Einführung in die DC-Ladesäule
In den letzten Jahren hat das rasante Wachstum von Elektrofahrzeugen (EVs) die Nachfrage nach effizienteren und intelligenteren Ladelösungen vorangetrieben. DC-Ladesäulen, bekannt für ihre Schnellladefähigkeit, stehen an der Spitze dieses Wandels. Dank des technologischen Fortschritts optimieren effiziente DC-Ladegeräte nun die Ladezeit, verbessern die Energienutzung und ermöglichen eine nahtlose Integration in intelligente Stromnetze.
Mit dem kontinuierlich wachsenden Marktvolumen trägt die Implementierung bidirektionaler On-Board-Ladegeräte (OBC) nicht nur dazu bei, die Bedenken der Verbraucher hinsichtlich Reichweite und Ladezeiten durch schnelles Laden zu zerstreuen, sondern ermöglicht Elektrofahrzeugen auch die Nutzung als dezentrale Energiespeicher. Diese Fahrzeuge können Strom ins Netz einspeisen und so Spitzenlasten decken und Talsperren füllen. Das effiziente Laden von Elektrofahrzeugen über DC-Schnellladegeräte (DCFC) ist ein wichtiger Trend zur Förderung der Energiewende. Ultraschnellladestationen integrieren verschiedene Komponenten wie Zusatzstromversorgungen, Sensoren, Energiemanagement und Kommunikationsgeräte. Gleichzeitig sind flexible Fertigungsverfahren erforderlich, um den steigenden Ladeanforderungen verschiedener Elektrofahrzeuge gerecht zu werden, was die Konstruktion von DCFC- und Ultraschnellladestationen komplexer macht.
Der Unterschied zwischen AC- und DC-Laden: Beim AC-Laden (linke Seite in Abbildung 2) wird der Bordcomputer an eine Standard-AC-Steckdose angeschlossen. Der Bordcomputer wandelt dann den Wechselstrom in den entsprechenden Gleichstrom um, um die Batterie zu laden. Beim DC-Laden (rechte Seite in Abbildung 2) lädt die Ladestation die Batterie direkt.
2. Zusammensetzung des DC-Ladesäulensystems
(1) Komplette Maschinenbauteile
(2) Systemkomponenten
(3) Funktionsblockdiagramm
(4) Ladesäulen-Subsystem
Gleichstrom-Schnellladegeräte der Stufe 3 (L3) umgehen das Bordladegerät (OBC) eines Elektrofahrzeugs, indem sie die Batterie direkt über das Batteriemanagementsystem (BMS) des Fahrzeugs laden. Diese Umgehung führt zu einer deutlichen Erhöhung der Ladegeschwindigkeit, wobei die Ausgangsleistung des Ladegeräts zwischen 50 und 350 kW liegt. Die Ausgangsspannung variiert typischerweise zwischen 400 V und 800 V, wobei neuere Elektrofahrzeuge eher zu 800-V-Batteriesystemen tendieren. Da L3-Gleichstrom-Schnellladegeräte dreiphasige Wechselstrom-Eingangsspannung in Gleichstrom umwandeln, verwenden sie ein AC-DC-Leistungsfaktorkorrektur-Frontend (PFC), das einen isolierten DC-DC-Wandler enthält. Dieser PFC-Ausgang ist dann mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen, werden häufig mehrere Leistungsmodule parallel geschaltet. Der Hauptvorteil von L3-Gleichstrom-Schnellladegeräten ist die deutlich verkürzte Ladezeit für Elektrofahrzeuge.
Der Ladesäulenkern ist ein einfacher AC-DC-Wandler. Er besteht aus PFC-Stufe, DC-Bus und DC-DC-Modul
Blockdiagramm der PFC-Stufe
Funktionsblockdiagramm des DC-DC-Moduls
3. Ladesäulen-Szenarioschema
(1) Optisches Speicherladesystem
Mit der zunehmenden Ladeleistung von Elektrofahrzeugen reicht die Stromverteilungskapazität an Ladestationen oft nicht aus, um den Bedarf zu decken. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein speicherbasiertes Ladesystem mit Gleichstrombus entwickelt. Dieses System nutzt Lithiumbatterien als Energiespeicher und nutzt ein lokales und dezentrales EMS (Energiemanagementsystem), um Stromangebot und -nachfrage zwischen Netz, Speicherbatterien und Elektrofahrzeugen auszugleichen und zu optimieren. Darüber hinaus lässt sich das System problemlos in Photovoltaikanlagen integrieren, was erhebliche Vorteile bei der Strompreisgestaltung in Spitzen- und Schwachlastzeiten sowie beim Ausbau der Netzkapazität bietet und so die Gesamtenergieeffizienz verbessert.
(2) V2G-Ladesystem
Die Vehicle-to-Grid (V2G)-Technologie nutzt EV-Batterien zur Energiespeicherung und unterstützt das Stromnetz durch die Interaktion zwischen Fahrzeugen und Netz. Dies reduziert die Belastung durch die Integration großflächiger erneuerbarer Energiequellen und flächendeckendes Laden von Elektrofahrzeugen und erhöht letztlich die Netzstabilität. Darüber hinaus können zahlreiche Elektrofahrzeuge in Gebieten wie Wohngebieten und Bürokomplexen von Spitzen- und Schwachlastpreisen profitieren, dynamische Laststeigerungen bewältigen, auf die Netznachfrage reagieren und Notstrom bereitstellen – all dies durch eine zentrale Steuerung des EMS (Energy Management System). Für Haushalte kann die Vehicle-to-Home (V2H)-Technologie EV-Batterien in eine Energiespeicherlösung verwandeln.
(3) Bestelltes Ladesystem
Das bestellte Ladesystem nutzt hauptsächlich Hochleistungs-Schnellladestationen, die sich ideal für konzentrierte Ladebedürfnisse wie öffentliche Verkehrsmittel, Taxis und Logistikflotten eignen. Ladepläne können je nach Fahrzeugtyp individuell angepasst werden, wobei das Laden außerhalb der Spitzenzeiten erfolgt, um die Kosten zu senken. Zusätzlich kann ein intelligentes Managementsystem implementiert werden, um das zentrale Flottenmanagement zu optimieren.
4. Zukünftiger Entwicklungstrend
(1) Koordinierte Entwicklung diversifizierter Szenarien ergänzt durch zentrale + dezentrale Ladestationen aus einzelnen zentralen Ladestationen
Zielortbasierte, verteilte Ladestationen stellen eine wertvolle Ergänzung des erweiterten Ladenetzes dar. Im Gegensatz zu zentralen Ladestationen, an denen Nutzer aktiv nach Ladestationen suchen, werden diese Stationen in Orte integriert, an denen sich Nutzer bereits aufhalten. Nutzer können ihre Fahrzeuge bei längeren Aufenthalten (in der Regel über eine Stunde) aufladen, wenn Schnellladen nicht unbedingt erforderlich ist. Die Ladeleistung dieser Stationen, typischerweise zwischen 20 und 30 kW, ist für Pkw ausreichend und deckt den Grundbedarf.
(2) Entwicklung des Marktes für 20-kW-Großanlagen hin zu diversifizierten Konfigurationen mit 20/30/40/60 kW
Mit der Umstellung auf Elektrofahrzeuge mit höherer Spannung besteht dringender Bedarf, die maximale Ladespannung von Ladesäulen auf 1000 V zu erhöhen, um der künftigen Verbreitung von Hochvoltmodellen gerecht zu werden. Dieser Schritt unterstützt die notwendigen Infrastrukturverbesserungen für Ladestationen. Der 1000-V-Ausgangsspannungsstandard hat sich in der Lademodulbranche breit durchgesetzt, und führende Hersteller führen schrittweise 1000-V-Hochvoltlademodule ein, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.
Linkpower widmet sich seit über acht Jahren der Forschung und Entwicklung von AC/DC-Ladestationen für Elektrofahrzeuge, einschließlich Software, Hardware und Design. Wir verfügen über ETL-, FCC-, CE-, UKCA-, CB-, TR25- und RCM-Zertifikate. Mithilfe der OCPP1.6-Software haben wir Tests mit über 100 OCPP-Plattformanbietern durchgeführt. Wir haben OCPP1.6J auf OCPP2.0.1 aktualisiert und die kommerzielle EVSE-Lösung mit dem IEC/ISO15118-Modul ausgestattet, was einen wichtigen Schritt zur Realisierung des bidirektionalen V2G-Ladens darstellt.
In Zukunft werden Hightech-Produkte wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Photovoltaikanlagen und Lithiumbatterie-Energiespeichersysteme (BESS) entwickelt, um Kunden auf der ganzen Welt ein höheres Maß an integrierten Lösungen bieten zu können.
Veröffentlichungszeit: 17. Oktober 2024