Alles rund ums Laden – Teil 4: High Power Charging (HPC)

Teil vier der Serie rund um das Laden von Elektrofahrzeugen behandelt die Technik der High-Power-Charger (HPC), die mit bis 350 kW derzeit das Maximum an Ladeleistung zur Verfügung stellen.

Teslas Supercharger bekommen Konkurrenz – und zwar extrem leistungsstarke! Die ersten HPCs stehen bereits an den Autobahnen Europas und legen damit die Messlatte hinsichtlich Ladegeschwindigkeit ein ganzes Stück höher. Vielleicht sind die HPCs ein Grund gewesen, das Tesla nun die Supercharger V3 mit bis zu 250 kW einführt. Doch konzentrieren wir uns in diesem Artikel auf die HPCs.

Federführend beim Aufbau des größten HPC-Netzwerks Europas ist IONITY, ein Konsortium von BMW, Daimler, Ford und Volkswagen (mit den Marken Porsche und Audi). Ziel ist die Errichtung einer Schnellladeinfrastruktur, die europaweites Reisen mit dem Elektroauto ermöglicht – so, wie es Tesla mit dem Supercharger-Netzwerk vorgemacht hat.

20181021_093314_edit — Der IONITY-Standort an der Raststätte Gruibingen: Sechs 350kW-Ladesäulen von Tritium mit oben angeschlagenem Kabel warten auf die ersten Elektroautos, die HPC-Laden unterstützen.

Dabei steht das IONITY-Netzwerk allerdings nicht nur Autofahrern der beteiligten Marken zur Verfügung, sondern kann von allen Elektrofahrzeugen genutzt werden, die den Steckerstandard CCS unterstützen (siehe dazu auch Teil 1 dieser Serie). Im Umkehrschluss bedeutet dies allerdings auch, dass Fahrzeuge mit dem CHAdeMO-Schnellladestandard an IONITY-Standorten leer ausgehen. Gleiches gilt für Fahrzeuge, die gar keine DC-Ladung (=Mode 4 Laden – siehe Teil 2) unterstützen. Dazu gehören immerhin so verbreitete Fahrzeuge wie der Nissan Leaf, die Renault Zoe oder der smart electric drive bzw. smart EQ. Mit Hilfe des neuen Tesla CCS-Adapters kommen nun allerdings auch Tesla Model S und Model X in den Genuss die HPC-Stationen nutzen zu können. Letztlich ist die Fokussierung auf CCS wenig verwunderlich, da alle beteiligten Hersteller für die Schnellladung auf diesen Standard setzen.

Die Technik der HPC-Lader

Aber werfen wir einen Blick auf die Technik der HPCs. Ein HPC-Standort besteht aus mehreren Ladesäulen mit DC-Steller und Bezahlterminal, jeweils einem Gleichrichter je Ladesäule, einem Netztrafo für den Standort und optional einer Pufferbatterie, die an Standorten mit geringer Anschlussleistung installiert werden kann.

Der Netztrafo ist dabei an das Mittelspannungsnetz angeschlossen und wandelt die Spannung in Niederspannung um. Was nach wenig klingt, bedeutet letztlich immer noch eine Versorgungsspannung von 1.000 Volt (=1kV).

An diesem lokalen Niederspannungsnetz sind nun die Gleichrichter angeschlossen, die aus dem Wechselstrom den Gleichstrom erzeugen, mit dem Batterien geladen werden können.

Bei den IONITY-Ladesäulen steht immer die volle Leistung an jedem Ladepunkt zur Verfügung. Bei Tesla ist dies – zumindest beim Supercharger V1 und V2 – anders gelöst. Hier teilen sich zwei Ladepunkte einen Gleichrichter, weshalb die Leistung beim Laden für beide angeschlossenen Fahrzeuge halbiert wird (darum parken erfahrene Tesla-Fahrer, wenn möglich, immer mit einer Parklücke Abstand am Supercharger).

20181021_093448_edit — Die vorderen Schränke enthalten die DC-Steller, der hintere Kasten ist der Mittelspannungstrafo.

Puffer-Batterie

Bei kleinen bzw. wenig frequentierten Standorten, bei denen die Anschlussleistung nicht ausreichend ist, um alle Ladepunkte mit voller Leistung zu versorgen, werden die Gleichrichter zusätzlich durch eine Puffer-Batterie unterstützt. Solch ein System hat zum Beispiel der schwäbische Hersteller ads-tec entwickelt, der sich auf die Entwicklung von Stationärspeichern spezialisiert hat.

Mit der zur Verfügung stehenden Anschlussleistung des HPC-Standorts wird die Puffer-Batterie kontinuierlich aufgeladen. Kommt ein Fahrzeug zum Laden vorbei, gibt die Puffer-Batterie die erforderliche Leistung an das Fahrzeug ab. Ein DC-Steller sorgt dabei für das Angleichen der Spannung zwischen Puffer-Batterie und Fahrzeugbatterie. Schließlich sinkt die Spannung der Puffer-Batterie während des Ladevorgangs, wohingegen die Spannung der Batterie im Fahrzeug ansteigt.

Die Lösung mit der Puffer-Batterie ist natürlich sehr teuer und für hochfrequentierte Raststätten ungeeignet, da der Stationärspeicher zwischen den Ladevorgängen genügend Zeit braucht, um selbst wieder aufgeladen werden zu können. Allerdings sind die Speicher so dimensioniert, dass durchaus mehrere Fahrzeuge hintereinander an den Ladepunkten mit Energie versorgt werden können.

Kennfeld

Steigen wir etwas tiefer in die Technik ein und schauen uns das Kennfeld eines HPC-Chargers an. Dieses kann aus dem Typenschild der Ladesäulen abgeleitet werden. Für dieses Beispiel wurde der HPC-Standort in Gruibingen an der A8 zwischen Stuttgart und Ulm besucht. Dieser Standort ist mit dem HPC-Ladesystem Veefill PK des australischen Hersteller Tritium ausgestattet, den es in Leistungsstufen von 175 kW bis 475 kW gibt. IONITY setzt dabei auf die Variante mit 350 kW. Da ist also noch etwas Luft nach oben.

20181021_093749_edit — Typenschild des HPC-Ladesystems Veefil K von Tritium.

Der Veefil PK kann dabei einen Spannungshub von 200 (gelbe Linie) bis 920 V (orangene Linie) abdecken. Die meisten Elektroautos arbeiten mit einer Spannung zwischen 250 und 450 V, liegen also eher in der unteren Hälfte des theoretisch möglichen. Der Porsche Taycan wird das erste Großserienfahrzeug sein, das mit über 800V betrieben wird und damit die maximale Spannung des Ladesystems fast vollständig ausnutzt.

Anhand der Eingangswerte lässt sich auch die Eingangsleistung des Tritium-HPCs ermitteln: 950VDC multipliziert mit 380 Ampere Eingangsstrom ergeben eine Eingangsleistung von 361 kW. Aufgrund von Wandlungs- und Leitungsverlusten resultiert dies in einer Ausgangsleistung von 350 kW.

Kennfeld_HPC — Leistungskennfeld des HPC-Systems Tritium Veefill PK

Solch ein Leistungskennfeld besteht aus zwei Achsen, jeweils eine für den Strom (x-Achse) und eine für die Spannung (y-Achse). Wählt man einen Punkt in diesem Koordinatensystem, so ist die (Lade-)Leistung das Produkt aus x- und y-Wert.

Da die Ladesäule beim Mode-4-Laden direkt auf die Batterie geschaltet wird, ist die Spannung in der Ladesäule gleich der Spannung der Batterie und der Strom der Ladesäule entspricht dem Batteriestrom.

Ein Beispiel: Ein Fahrzeug lädt mit 300A bei 400V. Die Ladeleistung beträgt in diesem Moment 300A * 400V = 120.000W = 120kW.

20190506_194111_edit — Der Audi e-tron 55 quattro lädt an einer HPC-Säule mit über 150 kW.

Ein Audi e-tron, der mit 150-kW-Ladeleistung unter den Fahrzeugen mit 400V-Architektur aktuell der Benchmark ist, wird im Umkehrschluss mit Strömen um die 350A bis 400A geladen werden (150kW = 150.000W, 150.000W/400V = 375 A).

Da die Spannung mit dem Ladezustand ansteigt, sinkt der Strom, wenn die Ladeleistung konstant bleibt. Der Strom wird spätestens dann reduziert, wenn die Batterie fast voll ist und die Laderegelung von Continuous Current (CC), also dem Laden mit konstantem Strom, auf Continuous Voltage (CV), dem Laden auf eine maximale Spannung, umgestellt wird (eine ausführliche Erklärung hierzu findet ihr in diesem Blog-Beitrag: Das Bierglasmodell).

Zusätzlich weist das Ladesystem des HPC eine Strombegrenzung auf. Laut dem Typenschild liegt diese bei dem Tritium-System bei 500A (rote Linie). Das ist also der maximale Strom, mit dem die Ladesäule die Batterie eines Fahrzeugs laden kann. Da die meisten Elektrofahrzeuge solch hohe Ströme nicht vertragen, sollte dieser Wert in der Praxis (zunächst) keine limitierende Rolle spielen.

Aber nehmen wir an, ein Fahrzeug mit 400V-Architektur wird auf eine Ladeleistung von 200kW ausgelegt. In dem Moment, wo der Ladevorgang startet, ist die Batterie noch relativ leer, weshalb die Batteriespannung in diesem Moment vielleicht nur 350V beträgt.

Die 200kW-Ladeleistung suggerieren nun, dass das Fahrzeug sofort und kontinuierlich mit dieser Leistung geladen werden kann. Das ist aber nicht richtig. Selbst wenn das Fahrzeug auf diese hohen Ströme ausgelegt wäre, würde jetzt die Ladesäule den Strom auf 500A begrenzen. Die Ladeleistung beträgt also zunächst „nur“ 350V * 500A = 175kW. Mit steigendem Ladezustand (=SOC, State of Charge) steigt auch die Spannung der Batterie, bis diese 400V erreicht hat. Jetzt wird tatsächlich die maximale Ladeleistung von 200kW abgerufen.

20190506_194728_edit — Selbst bei 70% Ladezustand lädt der Audi noch mit über 150 kW.

Bei weiter steigender Spannung würde allerdings irgendwann die maximale Leistung des Systems überschritten werden. Diese maximale Leistung wird beim HPC durch die Eingangsleistung limitiert. Wie bereits erwähnt, liegt die Ausgangsleistung der Ladesäule bei 350kW.

Die HPC-Ladesäule kann zwar bis zu 500A liefern, allerdings muss ab einer bestimmten Spannung (die während des Ladevorgangs mit steigendem Ladezustand der Batterie ansteigt) der Strom zurückgenommen werden, da sonst die Leistungsgrenze überschritten wird (blaue Linie im Diagramm). Beim HPC ist dies bei folgender Spannung der Fall: 350kW / 500A = 700V.

Allerdings sind auch 450A oder 400A weiterhin beeindruckende Ladeströme. Irgendwann erreicht aber das System die obere Spannungsgrenze (hier 920V, orangene Linie) und der Strom geht auf null herunter. Mehr ist dann einfach nicht möglich. In der Praxis wird eher die Batterie die limitierende Komponente sein und nicht die Ladesäule.

Diese ganzen Zahlenspiele zeigen, dass die Berechnung der tatsächlichen Ladeleistung bzw. der maximalen Ladeleistung nicht so einfach ist, wie es zunächst den Eindruck erweckt. Die tatsächliche, maximale Ladeleistung hängt einerseits von der verfügbaren Ladeleistung der Ladesäule und der maximalen Ladeleistung der Batterie des Fahrzeugs ab. Anderseits weisen Ladesäule und Fahrzeugbatterie Spannungs- und Stromgrenzen auf, die zusätzlich die absolute Ladeleistung begrenzen. Idealerweise ist das Lade-Kennfeld der Ladesäule größer oder gleich dem Lade-Kennfeld der Batterie. So ist sichergestellt, dass immer mit der maximalen Leistung geladen werden kann – im Falle einer HPC-Ladesäule also mit bis zu 350kW.