I framtiden kommer laddstationer vid motorvägar, på parkeringsplatser och i logistikcenter att behöva leverera betydligt mer effekt på kort tid än idag. Därför räcker det inte längre att ansluta nya laddstationer till lågspänningsnätet. I projektet ”MS-Tankstelle” har Fraunhofer ISE tillsammans med industripartners utvecklat mellanvåltsteknik för snabbladdningsstationer. Tekniken möjliggör effekttoppar på flera megawatt och bygger på effektiva kiselkarbid-halvledare och högre spänningar.
Det leder till minskad materialåtgång och lägre kostnader för snabbladdningsstationer. Samtidigt är systemet mycket effektivt och kan anpassas för laddstationer i olika storlekar och för olika fordonstyper.
Mellanvåltsteknik ger högre effekt och flexibilitet
Allt fler elfordon på vägarna innebär ett ökat behov av snabbladdningsstationer som kan betjäna många fordon samtidigt – precis som traditionella bensinstationer gör idag. Detta är särskilt viktigt längs motorvägar men även i parkeringshus och på parkeringsplatser i städer. Snabbladdning av en personbil kräver i genomsnitt 150 kilowatt, medan bussar, skåpbilar och mindre lastbilar behöver upp till 350 kilowatt. I framtiden väntas ännu högre effekter.
Effektivare energidistribution och lägre förluster
Själva eldistributionen inom laddstationen bör heller inte ske via lågspänningsnätet, eftersom det skulle medföra höga installationskostnader och stora energiförluster. Långa kabeldragningar, exempelvis 100 meter eller mer för 25 parkeringsplatser, skulle kräva stora kopparmängder och leda till hög effektförlust.
Den nya kraftelektroniken som utvecklats i projektet tillsammans med Sumida Components & Modules GmbH, Infineon Technologies AG och AEG Powersolutions GmbH använder istället ett mellanvåltnät som via en likriktare omvandlar spänningen till 1500 volt likström. Den högre spänningsnivån gör att högre effekt kan uppnås utan att kabeltjockleken behöver ökas. Detta minskar kopparåtången avsevärt och bidrar till både miljöskydd och resurssnålhet. Gränsen på 1500 volt likström valdes eftersom det är den övre gränsen för lågspänningsstandarder.
Modulär design för olika laddstationer
En elektriskt isolerad omvandlare kopplar likströmsnätet till fordonets batteri och styr laddningsprocessen. Likströmsomvandlarna har en effekt på 175 kilowatt och kan enkelt kopplas samman parallellt i systemet. Detta modulära tillvägagångssätt gör det möjligt att bygga laddstationer med lägre effekt för personbilar och högre effekt för lastbilar.
Till skillnad från lättare hemmaladdare måste publika laddstationer vara kompatibla med olika fordonstyper. Konceptet med en central likriktare och ett 1500-volts likströmsnät har den fördelen att nätanslutningskomponenter som transformatorer och likriktare kan dimensioneras oberoende av laddningselektroniken. Detta minskar materialbehovet för systemet betydligt jämfört med nuvarande lösningar.
Standardiserad och förenklad laddning
För att förenkla laddningsprocessen bör laddstationen vara fullt kompatibel med CCS1- och CCS2-standarderna, som är allmänt etablerade i Europa och stödjer fordon med strömmar upp till 500 ampere och spänningar upp till 1000 volt. Dessutom stöder konceptet även Megawatt Charging System (MCS)-standarden, där ett andra omvandlarmodul planeras för att möjliggöra denna variant. Endast några få komponenter behöver anpassas.
– Topologin vi utvecklat i det här projektet kan användas inte bara i laddstationer utan även i hybridkraftverk för förnybar energi och stationära batterilagringssystem, säger Andreas Hensel, gruppchef för högeffektelektronik och systemteknik vid Fraunhofer ISE.
Källa: Fraunhofer ISE