E-Auto laden in fünf Minuten? Forscher aus Dortmund arbeiten an Hochvolt-Technik
800 V gelten als Goldstandard beim E-Auto-Laden. Jetzt zielt ein neues EU-Projekt auf 1200 V. Kann das funktionieren?
Prof. Dr. Markus Thoben (Mitte) leitet das ODYSSEV-Projekt an der FH Dortmund. Gemeinsam mit Partnern aus acht europäischen Ländern wollen er und sein Team E-Autos und ihre Motoren für Hochvolt-Technologien weiterentwickeln.
Foto: FH Dortmund / Mike Henning
Wer heute ein E-Auto an einer Schnellladestation auflädt, wartet bei der Nutzung einer 800-V-Architektur rund 20 min, bis der Akku von 10 % auf 80 % gefüllt ist. Doch für viele Autofahrer ist selbst das zu lang – vor allem im Vergleich zu den 3 min an der Benzin-Zapfsäule.
Eine neue Generation von Hochvolt-Technologien soll die Ladezeiten nun drastisch verkürzen. Mit Spannungen von 1200 V und mehr könnten E-Autos damit in 5 min genug Strom für Hunderte Kilometer laden. Im Forschungsprojekt „ODYSSEV“ investiert die EU gezielt in diese Technik. Deutsche Forscher spielen dabei eine Schlüsselrolle.
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Warum höhere Spannung zu schnellerem Laden führt
Das Prinzip lässt sich mit einem Gartenschlauch erklären: Wer mehr Wasser durchleiten will, kann entweder einen dickeren Schlauch nehmen – oder den Druck erhöhen. Beim E-Auto entspricht der Druck der elektrischen Spannung. Höhere Spannung bedeutet: Mehr Energie fließt in kürzerer Zeit in die Batterie, ohne dass die Kabel dicker werden müssen.
Das bringt mehrere Vorteile: Dünnere Kabel sparen Gewicht, was die Reichweite erhöht. Gleichzeitig entsteht weniger Abwärme, sodass weniger Energie auf dem Weg zur Batterie verloren geht. Und vor allem wird deutlich schneller geladen.
Aktuelle 800-V-Systeme schaffen Ladeleistungen von bis zu 350 kW. Mit 1200 V und mehr ließe sich diese Leistung bei gleichem oder sogar geringerem Ladestrom weiter steigern.
Was ODYSSEV anders macht
ODYSSEV – kurz für „Optimised Dynamics of High-Voltage Powertrains: Developing Sustainable Systems for Electric Vehicles“ – hat Anfang des Jahres die Arbeit aufgenommen. 14 Partner aus acht europäischen Ländern arbeiten daran, darunter das University College London, die Universität Bremen und Industriepartner wie Mitsubishi Electric Europe und ZF Friedrichshafen.
Die Fachhochschule Dortmund leitet das Arbeitspaket Systemarchitektur und vernetzt die Labore aller europäischen Projektpartner, damit Komponenten aus verschiedenen Ländern frühzeitig aufeinander abgestimmt werden können. „Unsere Aufgabe ist es, das komplexe Zusammenspiel aller Komponenten zu orchestrieren und die Entwicklungsprozesse durch digitale Methoden zu beschleunigen“, erläuterte Seyed Saeed Mirsafian, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt, in einer Pressemitteilung vom 10. Februar.
Anders als bisherige Hochvolt-Projekte zielt ODYSSEV auf eine Systemarchitektur mit sogenanntem Multi-DC-Bus. Das bedeutet, dass die Batterie im Betrieb rekonfigurierbar ist und ihre Spannung dynamisch anpassen kann. Andere Hochvolt-Vorhaben setzen demgegenüber auf eine feste Spannungsebene.
Nie wieder an der falschen Ladesäule
„Mit einem Multi-DC-Bus ist die einfache Nutzung verfügbarer Ladeinfrastruktur und zukünftiger Höchstladeinfrastruktur möglich“, erklärt Prof. Dr. Markus Thoben von der Fachhochschule Dortmund gegenüber Ingenieur.de.
Für Autofahrer heißt das: keine Sorge mehr, an der falschen Säule zu stehen. Ein ODYSSEV-Fahrzeug könnte nämlich sowohl an einer älteren 400-V-Ladesäule laden als auch an einer heutigen 800-V-Station aufladen und gleichzeitig die volle Leistung einer künftigen Höchstspannungs-Infrastruktur ausnutzen.
Wie der Spannungs-Sprung möglich werden soll
Der Sprung auf höhere Spannungsebenen erfordert neue Bauteile. Denn herkömmliche Silizium-Halbleiter stoßen bei über 1000 V an ihre Grenzen. ODYSSEV setzt deshalb auf hybride Halbleitermodule, die Silizium und Siliziumkarbid (SiC) kombinieren. Diese Materialkombination soll die Leistungsverluste im Wechselrichter reduzieren – dem Bauteil, das den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Motor umwandelt.
Zudem muss die Batterie den massiven Energieeinstrom beim Schnellladen verkraften, ohne zu überhitzen. Das Forschungsprojekt entwickelt dafür auch ein rekonfigurierbares Batteriepaket, das sich an unterschiedliche Lade- und Fahrsituationen anpassen kann.
Europa gegen China: Wer hat die Nase vorn?
ODYSSEV ist nicht das einzige EU-Projekt im Hochvolt-Bereich. Parallel läuft das Vorhaben ENLIGHTEN, das an einer 1200-V-Plattform mit Galliumnitrid-Halbleitern (GaN) arbeitet. Beide Projekte werden über die 2ZERO Partnership von Horizon Europe gefördert. Die Initiative soll Europa eine technologische Spitzenposition bei E-Antrieben sichern.
Denn der Wettbewerb ist real: Während in Europa noch geforscht wird, drängen chinesische Hersteller bereits mit 1000-V-Systemen auf den Markt. BYD und CATL treiben die Batterieentwicklung mit enormem Tempo voran. Europäische Hersteller wie Mercedes, BMW und Volvo haben zwar gerade erst auf 800-V-Architekturen umgestellt, den nächsten Sprung aber noch nicht angekündigt.
Wann können Autofahrer das nutzen?
ODYSSEV läuft 42 Monate, also voraussichtlich bis Mitte 2029. Am Ende soll ein Pkw mit neuen Hochvolt-Komponenten jenseits der 1200-V-Marke auf der LaSiSe-Teststrecke im nordrhein-westfälischen Selm fahren. Wann die Technik den Sprung in die Serienproduktion schafft, lässt sich laut Thoben aber noch nicht sagen.
Für Autofahrer, die heute über ein E-Auto nachdenken, ist das erstmal eine gute Nachricht. Denn die Technik für ultraschnelles Laden existiert zumindest im Labor (und in ersten chinesischen Plattformen). Bis sie aber in einem europäischen Serienfahrzeug ankommt, das an jeder Ladesäule funktioniert, braucht es noch Forschungsarbeit, wie sie in ODYSSEV geleistet wird.
Fünf Minuten für fast 500 km
Nicht nur die Spannung bestimmt, wie schnell eine Batterie aufgeladen werden kann. Entscheidend ist darüber hinaus die sogenannte C-Rate. Sie gibt an, wie schnell eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität auflädt. Bei einer C-Rate von 3 lässt sich ein 100-kWh-Akku zum Beispiel mit 300 kW laden. Das dauert rund 20 minn. Heutige Schnelllader arbeiten in etwa in diesem Bereich.
Chinesische Hersteller wie BYD und der Batteriespezialist CATL haben inzwischen Batterien mit C-Raten von 6 angekündigt. BYD denkt sogar bereits an eine „Super e-Platform“ mit einer C-Rate von 10. Damit könnte eine 100-kWh-Batterie mit rund 1 MW geladen werden. In fünf Minuten wären dann rund 475 km Reichweite nachgeladen.
„Der Ansatz von BYD passt auch zum Fokus von ODYSSEV“, erläutert Markus Thoben gegenüber ingenieur.de. Allerdings gibt er zu bedenken: Bei 1000 V Ladespannung würde ein solcher Ladevorgang einen Strom von rund 1000 A erfordern – ein Wert, der nur mit aufwendig flüssigkeitsgekühlten Kabeln beherrschbar wäre. „Mit etwa 1500 V, wie wir es in ODYSSEV anstreben, sinkt der benötigte Strom auf rund 650 A. Das ist technisch deutlich einfacher umsetzbar“, so Thoben.
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