Rekord für Megawattladen: Neuer DC/DC-Wandler erreicht 99,26 % Effizienz
Wie gelingt 1 MW Ladeleistung bei nur 500 kW Netzanschluss? Fraunhofer ISE zeigt eine Lösung mit DC/DC-Wandler und Batteriespeicher.
Der im Projekt entwickelte galvanisch isolierende DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 250 kW, 99,26% Wirkungsgrad und einer volumetrischen Leistungsdichte von 9 kW/l (ohne Rückkühler und Hilfsversorgungs-Netzteil).
Foto: Fraunhofer ISE/Jörg Bornwasser
Wer schwere Elektro-Lkw schnell laden will, merkt rasch: Mehr Leistung allein löst das Problem nicht. In der Praxis setzen Wärmeverluste, Bauraum und vor allem der Netzanschluss enge Grenzen.
Genau dort setzt ein Team unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE an. Es hat ein Megawatt-Ladesystem entwickelt, das hohe Ladeleistungen mit einer vergleichsweise begrenzten Anschlussleistung verbindet. Im Zentrum steht ein neuer galvanisch trennender DC/DC-Wandler, der einen maximalen Wirkungsgrad von 99,26 % erreicht.
„Die höheren Ladeleistungen stellen die Leistungselektronik, das Kontaktsystem und auch die verfügbare Netzanschlusskapazität vor neue Herausforderungen“, erklärt Stefan Reichert vom Fraunhofer ISE.
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Warum jeder kleine Verlust zählt
Der Wert klingt auf den ersten Blick nach Feinarbeit im Labor. Bei Ladeleistungen von mehreren hundert Kilowatt ist er jedoch hoch relevant. Denn selbst ein kleiner Verlustanteil wird in diesem Leistungsbereich schnell zu spürbarer Wärme. Das erhöht den Kühlaufwand, vergrößert das System und senkt die Gesamteffizienz. Je höher der Wirkungsgrad, desto leichter lässt sich die Leistungselektronik kompakt auslegen.
Der DC/DC-Wandler passt die elektrische Energie an die Spannung an, die die Fahrzeugbatterie benötigt, und sorgt zugleich für galvanische Trennung. Das im Projekt entwickelte Modul leistet 250 kW. Seine hohe Schaltfrequenz von bis zu 200 kHz erlaubt kleinere magnetische Bauteile wie Transformator und Resonanzkreis. Dadurch sinken Größe und Materialeinsatz.
Fraunhofer ISE nennt für den Wandler eine volumetrische Leistungsdichte von 9 kW/l. Diese Angabe bezieht sich allerdings auf den Wandler ohne Rückkühler und Hilfsnetzteil. Vier der Module lassen sich zu einer Ladeeinheit mit 1 MW zusammenschalten.
Der Trick: 1 MW Leistung aus einem 500-kW-Netz
Besonders interessant ist das Gesamtsystem. Das Forschungsteam integrierte einen Pufferspeicher aus Second-Life-Batterien aus Pkw. Damit konnte im Test eine Ladeleistung von mehr als 1 MW bereitgestellt werden, obwohl am Netzanschlusspunkt nur 500 kW verfügbar waren.
Die fehlende Leistung kam zeitweise aus dem Speicher. Für Standorte mit begrenzter Anschlussleistung ist das ein relevanter Ansatz, weil sich Lastspitzen so abfedern lassen.
Vom CCS zum MCS: Die Zukunft des Schwerlastverkehrs
Das Projekt bereitet den Weg vom bekannten Pkw-Standard (CCS) hin zum neuen Megawatt Charging System (MCS). Während solche Ladeleistungen für Pkw kaum relevant sind, sind sehr hohe Ströme und Spannungen im Fernverkehr mit schweren Lkw oder bei Baumaschinen eine Voraussetzung, um in kurzen Standzeiten genug Energie nachzuladen.
Laut Fraunhofer wurde das System flexibel ausgelegt, um verschiedene Ladespannungen und Fahrzeugtypen abzudecken. Es bleibt zudem zum bisherigen CCS-Standard abwärtskompatibel. Auch die modulare Verschaltung von bis zu vier Ladepunkten à 250 kW sowie die Einbindung von Photovoltaik wurden untersucht.
Was bedeutet das wirklich?
Die Kerndaten des Projekts sind fachlich plausibel. Hohe Schaltfrequenzen verkleinern magnetische Bauteile. Pufferspeicher helfen, Lastspitzen vom Netz fernzuhalten. Und modulare Wandler passen gut zu künftigen MCS-Architekturen.
Trotzdem sollte man den Rekordwert sauber einordnen: Die 99,26 % sind ein Spitzenwert für ein einzelnes Modul unter definierten Bedingungen. Bis daraus ein robustes Serienprodukt für den Dauereinsatz an öffentlichen Ladepunkten wird, bleiben noch Fragen zu Kosten, Kühlung, Dauerhaltbarkeit und Standardisierung offen.
Unterm Strich zeigt das Projekt aber ziemlich klar, wo die Entwicklung gerade vorankommt: bei geringeren Verlusten, höherer Leistungsdichte und Systemen, die auch mit begrenztem Netzanschluss sehr hohe Ladeleistungen möglich machen.
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