Gemeinsam mit namhaften Partnern aus der Industrie arbeitet die BMW Group an neuen Lösungen zum schnellen Aufladen der Akkus von Elektroautos. Das Forschungsprojekt “FastCharge” hat nun in Jettingen-Scheppach den Prototyp einer Ladestation eingeweiht, an der entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge mit einer Leistung von bis zu 450 kW aufgeladen werden können.
Diese Ladeleistung entspricht dem Drei- bis Neunfachen heutiger DC-Schnellladestationen. Mit FastCharge ist es möglich, innerhalb von nur 3 Minuten genügend Strom für etwa 100 Kilometer Elektro-Reichweite zu “tanken”. Auch ein größerer Ladevorgang von 10 auf 80 Prozent ist in rund 15 Minuten absolviert. Die Ladestation nutzt das Combined-Charging-System CCS in der in Europa üblichen Typ-2-Variante.
Hinter dem Forschungsprojekt FastCharge steht ein Industriekonsortium, das unter Führung der BMW Group an den Voraussetzungen für das Ultra-Schnellladen der Zukunft forscht. Ebenfalls an FastCharge beteiligt sind die Porsche AG, die Siemens AG, die Allego GmbH sowie die Phoenix Contact E-Mobility GmbH. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur fördert das Projekt mit 7,8 Millionen Euro.
Zur komplexen Technik hinter FastCharge äußern sich die beteiligten Firmen wie folgt:
Die Basis bildet eine leistungsstarke Ladeinfrastruktur. Das im Projekt eingesetzte Energieversorgungssystem von Siemens ermöglicht es, die Grenzen der Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterien zu erproben. Es kann schon heute mit höheren Spannungen von bis zu 920 Volt arbeiten, wie sie bei zukünftigen Elektrofahrzeugen erwartet werden. In das System wurden sowohl die Hochleistungselektronik für die Ladeanschlüsse als auch die Kommunikationsschnittstelle zu den Elektrofahrzeugen integriert. Dieser Lade-Controller sorgt für eine automatische Anpassung der abzugebenden Leistung, so dass verschiedene Elektroautos mit einer Infrastruktur geladen werden können. Die flexible, modulare Architektur des Systems erlaubt es außerdem, mehrerer Fahrzeuge simultan zu laden. Dank des Ladens mit hohen Stromstärken und Spannungen ermöglicht es eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete, etwa für Flottenladelösungen oder, wie in diesem Fall, das Laden an Autobahnen. Für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz in Jettingen-Scheppach wurde im Projekt ein Ladecontainer mit zwei Ladeanschlüssen realisiert: Ein Anschluss hat eine bisher einmalige Ladeleistung von max. 450 kW, der Zweite gibt bis zu 175 kW ab. Beide Ladesäulen können ab sofort kostenlos mit allen CCS-fähigen Fahrzeugen genutzt werden.
Die jetzt vorgestellten Ladesäulen-Prototypen von Allego nutzen die Ladestecker des bewährten Combined Charging System (CCS) in der Typ-2-Variante für Europa. Dieser Ladestandard hat sich bereits heute bei einer Vielzahl von elektrifizierten Fahrzeugen bewährt und ist in weiten Teilen der Erde verbreitet.
Um die beim schnellen Aufladen mit besonders hoher Leistung auftretenden Anforderungen zu erfüllen, kommen gekühlte HPC-Ladekabel (High Power Charging) von Phoenix Contact zum Einsatz, welche vollständig CCS-kompatibel sind. Als Kühlflüssigkeit wird ein umweltfreundliches Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, wodurch der Kühlkreislauf halboffen gestaltet werden kann. Dadurch ist die Wartung im Gegensatz zu hermetisch geschlossenen Systemen, die mit Öl arbeiten, vergleichbar einfach, z. B. wenn Kühlflüssigkeit nachgefüllt wird.
Eine Herausforderung bestand darin, die in der Ladeleitung befindlichen Kühlschläuche beim Anschließen an die Ladesäule nicht zu quetschen, wie es mit einer herkömmlichen Kabelverschraubung passieren würde. In diesem Fall würden der Kühlfluss und damit die Kühlleistung beeinträchtigt werden. Dieses Problem wurde von Phoenix Contact gelöst durch eine speziell entwickelte Wanddurchführung mit definierten Schnittstellen für Leistungsübertragung, Kommunikation und Kühlung sowie integrierter Zugentlastung.
Je nach Fahrzeugmodell kann die neue Ultra-Schnellladestation sowohl für Fahrzeuge mit 400-V, als auch 800-V-Batteriesystemen eingesetzt werden. Ihre Ladeleistung passt sich automatisch der maximal zulässigen Ladeleistung des Fahrzeugs an. Die Zeitersparnis, die durch höhere Ladeleistungen erzielt werden kann, lässt sich am Beispiel des BMW i3 Forschungsfahrzeugs darstellen. Für einen Ladevorgang von 10-80 % SOC der Hochvoltbatterie mit 57 kWh Netto-Kapazität werden nur noch 15 Minuten benötigt. Dies kann fahrzeugseitig durch den speziell entwickelten Hochvoltspeicher in Kombination mit einer intelligenten Ladestrategie erreicht werden. Dazu zählen u.a. die genaue Vorkonditionierung der Speichertemperatur bei Ladestart, Temperaturmanagement während des Ladevorgangs und ein perfekt abgestimmtes Profil der Ladeleistung über Zeit. Der Ladevorgang erfolgt über ein neuartiges fahrzeugseitiges Mehrspannungsnetz mit Hochvolt-DC/DC-Wandler (HV-DC/DC), indem die geforderte 800-V-Eingangsspannung der Ladesäule auf die niedrigere 400-V-Systemspannung des BMW i3 Forschungsfahrzeugs transformiert wird. Durch den HV-DC/DC kann das Fahrzeug auch rückwärtskompatibel an allen alten und zukünftigen Ladestationen Strom tanken. Entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb ist die gesicherte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule. Deswegen werden ebenso Standardisierungsthemen zur Interoperabilität erforscht und in Normierungsgremien gebracht.
Das Porsche Forschungsfahrzeug mit einer Netto-Batteriekapazität von ca. 90 kWh erreicht eine Ladeleistung von über 400 kW und ermöglicht damit Ladezeiten von unter 3 Minuten für die ersten 100 km Reichweite.