1. Einführung in die Gleichstrom-Ladesäule
Das rasante Wachstum der Elektromobilität in den letzten Jahren hat die Nachfrage nach effizienteren und intelligenteren Ladelösungen deutlich erhöht. Gleichstrom-Ladesäulen, bekannt für ihre Schnellladefähigkeit, spielen dabei eine zentrale Rolle. Dank technologischer Fortschritte sind effiziente Gleichstrom-Ladegeräte heute so konzipiert, dass sie die Ladezeit optimieren, die Energieausnutzung verbessern und eine nahtlose Integration in intelligente Stromnetze ermöglichen.
Mit dem stetig wachsenden Marktvolumen trägt die Implementierung bidirektionaler On-Board-Ladegeräte (OBC) nicht nur dazu bei, die Reichweiten- und Ladeängste der Verbraucher durch schnelles Laden zu mindern, sondern ermöglicht es Elektrofahrzeugen auch, als dezentrale Energiespeicher zu fungieren. Diese Fahrzeuge können Strom ins Netz zurückspeisen und so zur Deckung von Lastspitzen und -tälern beitragen. Das effiziente Laden von Elektrofahrzeugen über Gleichstrom-Schnellladegeräte (DCFC) ist ein wichtiger Trend zur Förderung der Energiewende. Ultraschnellladestationen integrieren verschiedene Komponenten wie Hilfsstromversorgungen, Sensoren, Energiemanagement- und Kommunikationsgeräte. Gleichzeitig sind flexible Fertigungsmethoden erforderlich, um den sich wandelnden Ladeanforderungen verschiedener Elektrofahrzeuge gerecht zu werden, was die Entwicklung von DCFC- und Ultraschnellladestationen komplexer macht.
Der Unterschied zwischen AC- und DC-Ladung besteht darin, dass beim Laden mit Wechselstrom (linke Seite von Abbildung 2) der Bordcomputer an eine normale Steckdose angeschlossen wird. Der Bordcomputer wandelt den Wechselstrom in den benötigten Gleichstrom um, um den Akku zu laden. Beim Laden mit Gleichstrom (rechte Seite von Abbildung 2) wird der Akku direkt über den Ladeanschluss geladen.
2. Zusammensetzung des Gleichstrom-Ladesäulensystems
(1) Komplette Maschinenkomponenten
(2) Systemkomponenten
(3) Funktionsblockdiagramm
(4) Ladesäulen-Teilsystem
Level-3-Gleichstrom-Schnellladegeräte (L3) umgehen das On-Board-Ladegerät (OBC) eines Elektrofahrzeugs, indem sie die Batterie direkt über das Batteriemanagementsystem (BMS) des Fahrzeugs laden. Diese Umgehung führt zu einer deutlichen Steigerung der Ladegeschwindigkeit, wobei die Ladeleistung zwischen 50 kW und 350 kW liegt. Die Ausgangsspannung variiert typischerweise zwischen 400 V und 800 V, wobei neuere Elektrofahrzeuge zunehmend auf 800-V-Batteriesysteme setzen. Da L3-Gleichstrom-Schnellladegeräte dreiphasige Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln, verwenden sie eine AC/DC-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit einem isolierten DC/DC-Wandler. Der 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 erhebliche Reduzierung der Ladezeit für Elektrofahrzeuge.
Der Ladesäulenkern ist ein einfacher AC/DC-Wandler. Er besteht aus einer PFC-Stufe, einem DC-Zwischenkreis und einem DC/DC-Modul.
PFC-Stufenblockdiagramm
Funktionsblockdiagramm des DC-DC-Moduls
3. Szenario zur Ladungssicherung
(1) Optisches Speicherladesystem
Mit steigender Ladeleistung von Elektrofahrzeugen stößt die Stromverteilungskapazität von Ladestationen häufig an ihre Grenzen. Um dieses Problem zu lösen, hat sich ein speicherbasiertes Ladesystem mit Gleichstrombus etabliert. Dieses System nutzt Lithiumbatterien als Energiespeicher und verwendet lokale und entfernte Energiemanagementsysteme (EMS), um Angebot und Nachfrage von Strom zwischen Netz, Speicherbatterien und Elektrofahrzeugen auszugleichen und zu optimieren. Darüber hinaus lässt sich das System problemlos in Photovoltaikanlagen integrieren und bietet dadurch erhebliche Vorteile bei der Strompreisgestaltung in Spitzen- und Schwachlastzeiten sowie beim Netzausbau, wodurch die Energieeffizienz insgesamt verbessert wird.
(2) V2G-Ladesystem
Die Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G) nutzt Elektrofahrzeugbatterien zur Energiespeicherung und unterstützt so das Stromnetz durch die Interaktion zwischen Fahrzeugen und Netz. Dies reduziert die Belastung durch die Integration großflächiger erneuerbarer Energiequellen und die flächendeckende Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge und trägt letztendlich zur Netzstabilität bei. In Gebieten wie Wohngebieten und Bürokomplexen können zahlreiche Elektrofahrzeuge zudem von den Tarifen in Spitzen- und Nebenzeiten profitieren, dynamische Lastspitzen bewältigen, auf den Netzbedarf reagieren und Notstrom bereitstellen – alles gesteuert durch ein zentrales Energiemanagementsystem (EMS). Für Privathaushalte kann die Vehicle-to-Home-Technologie (V2H) Elektrofahrzeugbatterien in einen Heimspeicher verwandeln.
(3) Geordnetes Ladesystem
Das geordnete Ladesystem nutzt primär Hochleistungs-Schnellladestationen und eignet sich ideal für konzentrierte Ladebedürfnisse wie im öffentlichen Nahverkehr, bei Taxis und Logistikflotten. Die Ladezeiten lassen sich fahrzeugspezifisch anpassen, wobei das Laden außerhalb der Spitzenzeiten erfolgt, um Kosten zu senken. Zusätzlich kann ein intelligentes Managementsystem implementiert werden, um die zentrale Flottenverwaltung zu optimieren.
4. Zukünftiger Entwicklungstrend
(1) Koordinierte Entwicklung diversifizierter Szenarien, ergänzt durch zentrale und dezentrale Ladestationen, ausgehend von einzelnen zentralen Ladestationen
Zielortnahe, dezentrale Ladestationen stellen eine wertvolle Ergänzung des erweiterten Ladenetzes dar. Im Gegensatz zu zentralen Ladestationen, an denen Nutzer aktiv nach Lademöglichkeiten suchen müssen, integrieren sich diese Stationen in Orte, die ohnehin häufig besucht werden. Nutzer können ihre Fahrzeuge während längerer Aufenthalte (in der Regel über eine Stunde) aufladen, wenn Schnellladen nicht zwingend erforderlich ist. Die Ladeleistung dieser Stationen, typischerweise zwischen 20 und 30 kW, ist für Pkw ausreichend und deckt den grundlegenden Ladebedarf.
(2) Entwicklung vom Markt mit großem Marktanteil im 20-kW-Bereich hin zu einem diversifizierten Markt mit 20/30/40/60-kW-Konfigurationen
Mit dem Trend hin zu Elektrofahrzeugen mit höherer Spannung besteht ein dringender Bedarf, die maximale Ladespannung von Ladesäulen auf 1000 V zu erhöhen, um der zukünftigen breiten Nutzung von Hochvoltmodellen gerecht zu werden. Diese Maßnahme unterstützt die notwendigen Infrastrukturverbesserungen für Ladestationen. Der Standard der 1000-V-Ausgangsspannung hat sich in der Lademodulindustrie weitgehend durchgesetzt, und führende Hersteller bringen sukzessive 1000-V-Hochvolt-Lademodule auf den Markt, um diese Nachfrage zu decken.
Linkpower widmet sich seit über acht Jahren der Forschung und Entwicklung von Software, Hardware und Design für AC/DC-Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Wir verfügen über die Zertifizierungen ETL, FCC, CE, UKCA, CB, TR25 und RCM. Mit der Software OCPP 1.6 haben wir Tests mit über 100 OCPP-Plattformanbietern erfolgreich abgeschlossen. Wir haben OCPP 1.6J auf OCPP 2.0.1 aktualisiert und unsere kommerzielle EVSE-Lösung mit dem IEC/ISO 15118-Modul ausgestattet – ein wichtiger Schritt hin zur Realisierung des bidirektionalen V2G-Ladens.
Zukünftig werden Hightech-Produkte wie Ladesäulen für Elektrofahrzeuge, Solar-Photovoltaikanlagen und Lithium-Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) entwickelt, um Kunden auf der ganzen Welt ein höheres Maß an integrierten Lösungen zu bieten.
Veröffentlichungsdatum: 17. Oktober 2024