Überwindung von Design-Herausforderungen für eine schnelle und effiziente EV-Ladeinfrastruktur

Ladelösungen für Elektrofahrzeuge (EV) erfordern eine Reihe von Stromwandlertechnologien, um Wechselstrom (AC) für Ladegeräte zu Hause und im Büro sowie Gleichstrom(DC)-Schnellladesysteme für das Aufladen auf längeren Fahrten zu unterstützen. Allen Arten von EV-Ladegeräten gemeinsam ist der Bedarf an einer Vielzahl von Schützen, Relais, Steckverbindern und passiven Komponenten, die erforderlich sind, um die vorhandenen hohen Spannungen und Ströme zu unterstützen sowie die kompakten Designs und hohen Wirkungsgrade zu liefern, die für eine schnellere, sicherere, kleinere, effizientere und flexiblere EV-Ladeinfrastruktur erforderlich sind.

Die Entwicklung effizienter und flexibler Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erfordert eine Vielzahl von kompakten Hochspannungskomponenten. Diese Komponenten müssen niedrige elektrische Widerstände aufweisen und zuverlässig und sicher funktionieren. In einigen Fällen benötigen diese Komponenten auch eine lange elektrische Lebensdauer, wenn sie rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Einige Sicherheitsvorrichtungen, wie z. B. Not-Aus-Schalter, müssen nach IP67 zertifiziert sein. Andere, wie z. B. Filter für elektromagnetische Störungen (EMI), Klemmenleisten und Schütze, müssen spezielle internationale Leistungszertifizierungen haben.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über AC- und DC-EV-Ladegeräte und einige damit verbundene regionale Normen. Er untersucht den Bedarf an leistungsstärkeren Ladegeräten für Elektrofahrzeuge und wirft einen Blick in die Zukunft des extrem schnellen Ladens (XFC). Abschließend werden kurz die Einsatzmöglichkeiten von Schützen, Relais, Steckverbindern, Leistungswiderständen, Schaltern, EMI-Filtern und Power-Block-Verbindungssystemen in EV-Ladesystemen vorgestellt und Links zu Beispielprodukten von TE Connectivity angegeben.

Regionale Normen

Es gibt eine Reihe von Normen, die das Laden von Elektrofahrzeugen mit Wechsel- und Gleichstrom definieren. Jede Region hat ihren eigenen Ansatz. In Nordamerika (NA) beschreibt SAE J1772 drei Stufen des Aufladens von Elektrofahrzeugen, während in Europa die IEC 61851 verwendet wird, in der vier Lademodi beschrieben sind. In China gilt die Norm GB/T 20234 sowohl für das AC- als auch das DC-Laden, während in Japan die Norm des Japan Automobile Research Institute (JARI) für das AC-Laden und CHAdeMO für das DC-Laden gilt. Die AC-Ladung wird in der Regel bis zu einer Leistung von etwa 22 kW genutzt, während die DC-Ladung mehr Leistung liefert. Darüber hinaus ist für das Aufladen mit Wechselstrom ein Onboard-Ladegerät (OBC) erforderlich, während Gleichstrom-Ladegeräte direkt an den Akku angeschlossen werden (Abbildung 1). Ein kurzer Vergleich der Ladestandards in den USA und Europa liefert den Kontext für den nächsten Abschnitt über Ladegerätekonzepte und Anwendungsfälle.

Abbildung 1: Beim AC-Laden wird ein OBC verwendet, während beim DC-Laden die Energie direkt in den Akku eingespeist wird. (Bildquelle: TE Connectivity)

NA verfügt über zwei Stufen der AC-Ladung. Stufe 1 liefert über eine Steckdose bis zu 1,9 kW, während Stufe 2 über eine Ladestation bis zu 19,2 kW liefert. Ladegeräte der Stufe 1 werden in erster Linie in Privathaushalten eingesetzt, während Ladegeräte der Stufe 2 in Wohnhäusern und Unternehmen zu finden sind. In Europa gibt es drei Arten des AC-Ladens. Modus 1 entspricht der Stufe 1 in NA, während Modus 3 der Stufe 2 in NA entspricht. In Europa gibt es zudem einen Zwischentyp, Modus 2, der wie Modus 1 einen Netzstecker verwendet, aber das Anschlusskabel mit einer Schutzschaltung versieht, so dass es die doppelte Leistung erbringen kann.

Schnell ist nicht genug

Schnelle AC-Ladegeräte, wie Stufe 2 in NA und Modus 3 in Europa, sind schneller als die Alternativen, die bis zu 10 bis 12 Stunden benötigen, um ein Elektrofahrzeug vollständig aufzuladen. Dennoch kann es mehrere Stunden dauern, bis ein entladener Akku wieder aufgeladen ist. Das ist nützlich, wenn das Auto für längere Zeit im Büro, zu Hause oder an einem anderen Ort geparkt wird. Es ist jedoch noch nicht schnell genug, um die Reichweitenangst der E-Fahrer deutlich zu verringern.

Aus diesem Grund wurden leistungsstarke Wechselstromladegeräte der Stufe 3 und Gleichstromladegeräte der Stufe 4 entwickelt. Die Ladegeschwindigkeit beim DC-Schnellladen hängt davon ab, wie viel Strom vom Ladegerät zur Verfügung steht und wie hoch die Spannung des Akkus ist. DC-Schnellladegeräte wurden ursprünglich für 400-V-Akkupacks entwickelt. Um mit einem 400V/200A-Ladegerät eine 80-prozentige Ladung zu erreichen, benötigt man etwa 50 Minuten. Die Erhöhung des Stroms auf 350 A ist eine Herausforderung, aber damit lässt sich ein 400V-Akku in etwa 29 Minuten zu 80 % aufladen. Obwohl die Erhöhung der Stromstärke die erforderliche Ladezeit verkürzt, sind weitere Maßnahmen erforderlich, um das Laden von Elektrofahrzeugen zu einer zeitsparenden Alternative zu anderen Betankungsmethoden zu machen. Angestrebt wird eine Ladezeit von 10 Minuten - das entspricht in etwa der Zeit, die für die komplette Befüllung des Tanks eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (ICE) benötigt wird.

Die nächste Phase des DC-Schnellladens wird das extrem schnelle Laden (XFC) sein. Um XFC zu erreichen, steigen die Spannungen der Batteriepacks von 400 V auf 800 V, und 1kV-Packs sind in Sicht. Die XFC-Ladetechnologie wird derzeit entwickelt, um 1 kV bei 350 bis 500 A zu liefern, wodurch die Ladezeiten auf 10 Minuten oder weniger sinken. Mit den Fortschritten bei XFC wird die Reichweitenangst obsolet werden.

Neben der Entwicklung der XFC-Technologie sind die Entwickler auf kompakte Designs und hohe Wirkungsgrade angewiesen, um ein sicheres, kleineres, effizienteres und flexibleres Laden von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. Das erfordert fortschrittliche Komponenten und fortschrittliche Konstruktionen.

Abbildung 2: Um kompaktere und leistungsstärkere Ladelösungen für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, sind fortschrittliche Komponenten erforderlich. (Bildquelle: TE Connectivity)

Entwicklung für enge Räume

Für die Entwicklung von XFC-Ladegeräten werden Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) verwendet, die hocheffiziente, kompakte Lösungen für die Energieumwandlung bieten. Die Energieumwandlung ist jedoch nur ein Element der Konstruktion von EV-Ladegeräten.

EV-Ladegeräte benötigen kompakte und robuste Board- und Signalanschlüsse für die Steuerung und Überwachung. Sie benötigen platzsparende Relais und Schütze, die die höheren Spannungen verarbeiten können, die mit schnelleren Ladevorgängen verbunden sind. Leistungswiderstände in EV-Ladegeräten benötigen einen hohen Isolationswiderstand, eine niedrige Oberflächentemperatur, einen ausgezeichneten Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR), die Fähigkeit, eine hohe Leistung auf begrenztem Raum abzugeben, und eine feuerfeste Konstruktion.

Hilfsstromversorgungen und andere Schaltungen sind auf kompakte EMI-Filter angewiesen, um Störungen der Steuerlogik und der Überwachungsschaltungen zu vermeiden. Not-Aus-Schalter mit Schutzart IP65 und ausreichender Betätigungskraft, um unbeabsichtigtes Schalten zu verhindern, sind notwendig, um rauen Umgebungen standzuhalten.

AC-Ladegeräte für Stufe 2 / Modus 3

In der folgenden Liste sind einige wichtige Komponenten aufgeführt, die bei der Entwicklung von AC-Ladegeräten für Stufe 2 und Modus 3 erforderlich sind. Die Nummern der Liste entsprechen den eingekreisten Nummern in Abbildung 3 unten.

1. Leistungsrelais, wie die Serie T92 von TE, werden als Hauptschalter in AC-Ladestationen eingesetzt. Diese zweipoligen Umschaltrelais (DPST) sind für bis zu 50 A ausgelegt und für den Einsatz bei extremen Temperaturen konzipiert. Das Modell T92HP7D1X-12 ist für hervorragende thermische Leistung optimiert und für 50 A und 600 Vac bei bis zu 85 °C ausgelegt.
2. Board- und Signalsteckverbinder wie die Serie Dynamic Mini von TE werden benötigt, um interne Stromversorgungs- und Signalverbindungen zu unterstützen. Diese Steckverbinder verfügen über einen hörbaren positiven Verriegelungsmechanismus, der die Installation und Wartung vor Ort erleichtert. Sie sind für den Betrieb von -40 bis 125 °C ausgelegt, um den Anforderungen von AC-Ladeanlagen gerecht zu werden. Das Modell 1-2834461-2 hat zum Beispiel 12 Positionen auf einer mittigen Kontaktleiste von 1,8 mm (0,071 Zoll).
3. Leistungswiderstände sind wichtig für die Überwachung, Verwaltung und Gewährleistung eines sicheren Betriebs. Sie müssen einen hohen Isolationswiderstand, einen niedrigen TCR-Wert (300 ppm/°C), einen geringen Anstieg der Oberflächentemperatur und eine feuerfeste Konstruktion aufweisen. Die SQ-Serie von TE, wie das 1Ω(±5%)-Modell SQPW51R0J für 5 W, ist für den Einsatz in AC-Ladegeräten geeignet.
4. Ein Not-Aus-Schalter ist wichtig für die Sicherheit des AC-Ladegeräts. TE bietet die Drucktasten-Notschalter der Serie PBE16 in beleuchteter und unbeleuchteter Ausführung an. Diese Schalter erfüllen die Anforderungen von IEC 60947-5-1 und IEC 60947-5-5. Das Modell PBES16L1CR beispielsweise entspricht der Schutzart IP 65 und hat eine Betätigungskraft von 20 Newton (N), um eine unbeabsichtigte Betätigung zu vermeiden.
5. EMI-Filter sind für die Hilfsstromversorgungen in Ladestationen erforderlich, um Störungen des Betriebs der digitalen Schaltkreise zu vermeiden, die für die Stromüberwachung und -steuerung verwendet werden. Außerdem werden Hilfsstromversorgungen benötigt, um die Leistungshalbleiter im Leistungsumwandlungsteil mit Strom zu versorgen. Das Modell 6609065-3 von TE ist ein einphasiger EMI-Filter, der für 6 A bei 250 Vac und 50 oder 60 Hz ausgelegt ist.
6. Schließlich werden elektrische Lösungen für die Verdrahtung und die Kennzeichnung von Schalttafeln benötigt, um die Montage und Wartung vor Ort zu beschleunigen. Diese Etiketten müssen leicht anzubringen und sehr haltbar sein. Das PL-027008-2.5-9 von TE beispielsweise ist ein Polyester-Klebeetikett, das für die Verwendung in Schaltschränken wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge konzipiert ist.

Abbildung 3: Die wichtigsten Komponenten, die für AC-Ladegeräte der Stufe 2 und Modus 3 benötigt werden. (Bildquelle: TE Connectivity)

Schnell und XFC DC

Auf den ersten Blick ähneln die für Wechselstrom-Ladegeräte der Stufe 2 und Modus 3 benötigten Komponenten denen, die in schnellen Gleichstrom-Ladegeräten verwendet werden. Es gibt jedoch einige subtile und offensichtliche Unterschiede zwischen den beiden.

AC-Ladestationen verwenden in der Regel Relais für die Stromsteuerung, während DC-Ladegeräte Schütze benötigen. Obwohl sowohl Relais als auch Schütze Schalter sind, die eine niedrige Spannung, z. B. 12 V DC, zum Schalten eines Stromkreises mit höherer Spannung verwenden, verwenden die Geräte unterschiedliche Kontaktstrukturen, die für verschiedene Spannungs- und Strompegel optimiert sind. Relais sind in der Regel für bis zu 600 V ausgelegt, während Schütze für 800 V und mehr ausgelegt sind. Außerdem sind Relais in der Regel auf einige Dutzend Ampere begrenzt, während es Schütze gibt, die Hunderte von Ampere schalten können. Das Schütz EV200AAANA von TE ist beispielsweise für 900 V und 500 A ausgelegt und eignet sich für schnelle DC-Ladegeräte.

Die in DC-Ladegeräten verwendeten Signalanschlüsse und Leistungswiderstände sind nicht dieselben wie in AC-Designs. Gleichstrom-Ladegeräte erfordern eine komplexere Steuerung, z. B. die Kommunikation mit dem Akkupack des Fahrzeugs, die bei Wechselstrom-Ladegeräten fehlt. Sowohl AC- als auch DC-Ladegeräte profitieren von der Verwendung von feingerasterten Steckverbindern mit einem Mittenabstand von 1,00 mm x 1,00 mm (0,050" x 0,050"), aber DC-Ladegeräte können eine höhere Anzahl von Pins erfordern, wie der 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP mit 30 Positionen.

Darüber hinaus können die höheren Leistungen in DC-Ladegeräten von Leistungswiderständen im Aluminiumgehäuse wie der HS-Serie von TE profitieren. Diese drahtgewickelten Widerstände sind sehr stabil und können auf engem Raum eine hohe Leistung bei relativ niedriger Oberflächentemperatur abführen. Das Modell HSA1010RJ ist zum Beispiel für 10 Ω ±5% und 10 W ausgelegt. Andere Modelle der Serie sind für bis zu 82 kΩ und bis zu 300 W ausgelegt.

Obwohl für Wechselstrom- und Gleichstrom-Ladegeräte oft derselbe Typ von Not-Aus-Schalter verwendet werden kann, benötigen Gleichstrom-Ladegeräte je nach Bauart größere oder mehr EMI-Filter.

Ein weiterer Unterschied zwischen AC- und DC-Ladegeräten besteht darin, dass DC-Ladegeräte für die interne Stromverteilung Leistungsanschlussblöcke wie die ENTRELEC Compact Power Blocks von TE benötigen. Das Modell CBS50-2P ist für 150 A und 1 kV ausgelegt.

Abbildung 4: Schnelle DC-Ladegeräte benötigen viele der gleichen Komponenten wie Stufe-2- und Modus-3-AC-Ladegeräte, aber es gibt auch einige feine Unterschiede. (Bildquelle: TE Connectivity)

Fazit

Fortschrittliche Ladegeräte werden entscheidend dazu beitragen, die Reichweitenangst zu verringern und den großflächigen Einsatz von E-Fahrzeugen zu ermöglichen. Diese fortschrittlichen Ladegeräte werden höhere Spannungen und Ströme verwenden, um die Ladezeiten auf etwa 10 Minuten zu verkürzen, so dass die Ladezeiten für Elektrofahrzeuge mit denen für ICE-Fahrzeuge vergleichbar sind. Wie gezeigt, benötigen Entwickler eine breite Palette an kompakten, effizienten und umweltverträglichen Komponenten für schnelle AC- und DC-Ladegeräte und zukünftige Generationen von XFC-Designs.