HV-SiC Umrichter für leistungsstarke Elektro-Tankstellen am Mittelspannungsnetz zur Schnellladung von PKW und Transportern
Die Ladeleistung von Elektrofahrzeugen steigt ständig. Deshalb müssen Ladestationen an Autobahnen oder in Parkhäusern künftig ein Vielfaches an Leistung liefern und können nicht ohne Weiteres wie bisher an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden.
Das Projekt zielt auf die Entwicklung einer leistungselektronischen Mittelspannungs-Systemtechnik für Elektrotankstellen und Parkhäuser ab und trägt somit zur Entwicklung und Produktion von Infrastruktur-Komponenten sowie zur Integration der Elektromobilität in das Energiesystem bei. Das Kernstück der Entwicklung ist ein kompaktes leistungselektronisches Modul mit 2 kV SiC Leistungshalbleitern und einem MF-Transformator mit einer Leistung von 175 kW.
Der Übergang zu mehr Elektrofahrzeugen geht einher mit dem Aufbau der notwendigen Ladeinfrastruktur. Derzeit steigt die Zahl der Elektrofahrzeuge in Deutschland rapide an. Wie bei den heutigen Benzin- und Dieselfahrzeugen wird es einen Bedarf an Elektroladestationen geben, an denen mehrere Fahrzeuge ihre Antriebsbatterien schnell und mit hoher Leistung aufladen können. Dies ist insbesondere auf Autobahnen, aber auch in Städten notwendig. Durchschnitt beträgt die für die Schnellladung eines Fahrzeugs erforderliche Leistung etwa 150 kW. Für die Zukunft wird eine weitere Steigerung der Ladekapazität erwartet.
Eine herkömmliche Tankstelle hat in der Regel acht Zapfsäulen. Die Betankung dauert etwa 5 bis 8 Minuten. Da die elektrische Aufladung langsamer ist, kann davon ausgegangen werden, dass mehr Ladestationen als herkömmliche Zapfsäulen benötigt werden, um einen vergleichbaren Fahrzeugdurchsatz zu erreichen. Geht man von 15 bis 25 Parkplätzen für gleichzeitiges Schnellladen aus, würde die Gesamtleistung der Elektroladestation etwa 1,5 bis 3,5 MVA betragen.
Daraus ergeben sich zwei wichtige Punkte. Erstens können Elektroladestationen in Zukunft nicht an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden, da der durchschnittliche Leistungsbedarf selbst bei geringer Auslastung der Anlage 300 kVA übersteigen würde. Auch wenn die Elektroladestation an die Mittelspannung angeschlossen ist, darf die Verteilung innerhalb der Anlage nicht auf Niederspannung erfolgen. Die großen Kabellängen und die hohen Leistungen führen zu hohen Installationskosten bzw. zu hohen Verlusten in den Kabeln.
Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer leistungselektronischen Mittelspannungs-Systemtechnik für Elektroladestationen. Diese basiert auf einem Mittelspannungsnetz, das durch einen Gleichrichter auf eine Spannung von 1,5 kVDC gleichgerichtet wird. 1,5 kVDC wurde gewählt, da dies die Grenze der Niederspannung ist und oberhalb dieses Wertes andere Normen gelten. Ein galvanisch getrennter Wandler koppelt das DC-Verteilernetz an die Fahrzeugbatterie und steuert die Schnellladung. Die Spannungen der Fahrzeugbatterie reichen von 200 - 950 VDC. Die Leistung eines DC-Wandlers beträgt 175 kW. Sie sind so konzipiert, dass sie im System problemlos parallelgeschaltet werden können. Dieses modulare Konzept ermöglicht es, sowohl Ladestationen mit geringerer Leistung für Pkws als auch Stationen mit höherer Leistung für Transporter und Lkws durch Parallelschaltung zu bauen.
