Ladestationen für mehr Elektromobilität

4. Juni 2020

Entscheidend für den Erfolg der Elektromobilität ist der Aufbau einer effizienten Ladeinfrastruktur. Der Trend geht hin zur Einführung von Ladestationen, die ein immer schnelleres Aufladen ermöglichen, sowie von bidirektionalen Ladestationen, die zur Stabilität des Stromnetzes beitragen. Die Anwendung von Optimierungstechniken trägt zu effizienten Lösungen bei.

Sébastien Mariéthoz, Professor für Leistungselektronik und Automatisierung, BFH
Es gibt viele Aspekte zu berücksichtigen, um die Entwicklung der Elektromobilität zu fördern. Einer davon ist eine flächendeckende Ladeinfrastruktur für das gesamte Strassennetz und die Parkplätze. Ein weiteres wichtiges Element ist die Möglichkeit des ultraschnellen Aufladens von Elektrofahrzeugen. Damit wird es möglich, lange Strecken ohne grössere Unterbrechungen zurückzulegen. Auch die Kosten für die Ladeinfrastruktur, d.h. für Ladestationen und Fahrzeuge, spielen eine bedeutende Rolle. Es gibt zwei Haupttypen von Ladestationen. Am häufigsten sind Wechselstrom-Ladestationen. Ein AC/DC-Wandler im Fahrzeug wandelt den Wechselstrom (AC) aus dem Netz in den von der Batterie benötigten Gleichstrom (DC) um (siehe Abbildung 1), und er ermöglicht auch, die Ladegeschwindigkeit zu regeln. Ein Hochleistungswandler, mit dem ein schnelles Wiederaufladen möglich wäre, würde allenfalls gleich viel oder mehr kosten als das übrige Fahrzeug. Zudem wären die Masse und das Volumen zu gross, um an Bord eingebaut zu werden.
Abbildung 1: Wechselstromladestation – der Wandler ist im Fahrzeug eingebaut.
Schnellladestationen sind derzeit weniger verbreitet. Sie enthalten einen Wandler, der Gleichstrom direkt an die Fahrzeugbatterie liefert (siehe Abbildung 2). Zum Aufladen an einer Schnellladestation wird die Fahrzeugbatterie ohne Verwendung eines Wandlers an Bord direkt an die Station angeschlossen. Da der Wandler fest installiert ist und seine Kosten von allen Nutzern geteilt werden, ist seine Leistung nur durch die Batterien und das Stromnetz begrenzt.
Abbildung 2: Gleichstrom-Schnellladestation – der Wandler ist stationär und wird von allen Nutzern geteilt.

E-Mobile, die das Stromnetz unterstützen

Die wachsende Zahl der Elektrofahrzeuge und das immer dichtere Ladenetz bringen erhebliche Herausforderungen mit sich. So ist die Leistung, die benötigt wird, um viele Elektrofahrzeuge gleichzeitig aufzuladen, erheblich. Dies kann das Stromnetz überlasten, insbesondere bei einer hohen Fahrzeugdichte zur gleichen Zeit am gleichen Ort. Für die Energiewende mit einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien sehen die Netzbetreiber aber Elektrofahrzeuge auch als Chance. Die in den Batterien vieler E-Mobile gespeicherte Energie ist in der Tat beachtlich. Es ist möglich, diese Batterien als Energiespeicher zu verwenden. Daraus kann man Energie zurückspeisen, wenn im Netz die Energie knapp wird. Die Implementierung eines solchen Systems erfordert die Interaktion zwischen Fahrzeug, Ladestation und Netz sowie die Möglichkeit, die Batterieenergie über die Ladestation ins Netz einzuspeisen. Dazu braucht es einen bidirektionalen Wandler, der also Stromflüsse in beide Richtungen zulässt. Die meisten aktuellen Ladestationen sind jedoch nicht bidirektional, und relativ wenige Fahrzeuge verfügen über die erforderliche Intelligenz.

Zusammenarbeit mit Green Motion

In Zusammenarbeit mit der Firma Green Motion, die Ladestationen für E-Mobile entwickelt und produziert, hatte das Team des Labors für Leistungselektronik des Instituts für Energie und Mobilität IEM der Berner Fachhochschule die Möglichkeit, auf verschiedene Weise zu Lösungen in diesem Themenbereich beizutragen.

Entwicklung einer modularen Lösung

So wurde ein hocheffizienter isolierter modularer Wandler entwickelt, um eine Familie von schnellen Hochleistungsladestationen auszurüsten. Diese sind in der Lage, ein Fahrzeug aufzuladen und bei Bedarf Batterieenergie wieder in das Netz einzuspeisen (siehe Abbildung 3). Die Topologien, die verwendet werden, um einen bidirektionalen Wandler für die Ladestation zu realisieren, sind zwar komplex zu implementieren, aber sie sind in der Leistungselektronik relativ gut bekannt. Die Innovation der Lösung besteht in der Kompaktheit, den niedrigen Kosten und der erzielten Effizienz. Diese Eigenschaften wurden durch Fortschritte bei der Modellierung der Elemente des Wandlers erzielt. Die Anwendung von genetischen Optimierungsalgorithmen ermöglicht die beste Kombination von Komponenten und Parametern. Darüber hinaus werden innovative Regelalgorithmen verwendet, die auf modellprädiktiver Regelung und Systemverlustmodellen basieren. Diese ermöglichen einen optimalen Betrieb der aktiven Halbleiterkomponenten des Systems, um die Verluste der Leistungskomponenten zu minimieren. Sowohl die Verlustminimierung als auch die Komponentenoptimierung führen zu einer signifikanten Reduktion der benötigten Hardware. Dies gilt insbesondere für die zur Kühlung des Wandlers erforderliche Aluminiummasse, die Masse des Resonanzfilters und des Mittelfrequenztransformators (in Abbildung 3 zwischen den Blöcken dc-mfac und mfac-dc angeordnet). Die Reduzierung der Verluste und der Masse der Ladestation ist einerseits vorteilhaft für die Umwelt und führt andererseits zu einer Reduzierung der Kosten der Elektromobilität.
Abbildung 3: Vereinfachtes Schema des entwickelten Wandlers. Die optimierte Konzeption und die Verwendung modellprädiktiver Regelungstechnik ermöglichen es, die Verluste, das Volumen und den Preis zu reduzieren.
Die Modularität des ursprünglich für die Herstellung von 22-kW-Ladestationen entwickelten Konzepts ermöglicht es Green Motion, sein Angebot an Schnellladestationen von 22 auf 160 kW mit geringen Entwicklungskosten zu erweitern. Dadurch kann die steigende Nachfrage nach ultraschnellen Ladestationen für lange Fahrten befriedigt werden.
Mit dem Konzept des bidirektionalen Wandlers ist Green Motion als eines der ersten Unternehmen in der Lage, eine Lösung anzubieten, die die «Vehicle to Grid»-Funktion (V2G) unterstützt. Damit wird es möglich, Dienstleistungen für das Energiemanagement von Stromnetzen anzubieten. Die Zusammenarbeit wird mit einem Forschungsprojekt fortgesetzt. Ziel es ist, Ladegeräte auf der Grundlage eines neuen Typs von Wandlern mit sehr hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, die noch höhere Leistung bei geringerem Preis und Volumen liefern.