Forscher loten Schnellladen mit bis zu 450 kW aus
Wie lässt sich Strom für 400 Kilometer in nur 15 Minuten in eine Fahrzeugbatterie laden? Mit dieser Frage hat sich das kürzlich abgeschlossene Forschungsprojekt D-SEe beschäftigt. Die Antwort ist eine Schnellladestation mit 450 kW Ladeleistung und ein zur Reproduzierbarkeit geeignetes Prototypenfahrzeug.
Die Projektabkürzung D-SEe steht für „Durchgängiges Schnellladekonzept für Elektrofahrzeuge“. Binnen viereinhalb Jahren Forschungsarbeit haben die beteiligten Partner die gesamte Energieflusskette vom Stromnetz über die Ladeelektronik und das Ladekabel bis hin zur Fahrzeugbatterie analysiert und optimiert. Im Boot waren Hofer Powertrain, die Hochschule Bochum, Innolectric, Keysight Technologies, Sensor-Technik Wiedemann (STW) und Voltavision. Gefördert wurde D-SEe vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
Die Herausforderung des Forschungsprojektes sei es gewesen, für die angestrebte Ladeleistung die bis dato am Markt gängigen elektronischen Komponenten, Ladekabeltechnik und Fahrzeugbatterie zu modifizieren und weiter zu entwickeln, schildert Kai André Böhm, Professor an der Hochschule in Esslingen und Leiter des Projekts. „Jedes verwendete Bauteil musste den hohen Projektanforderungen standhalten und wurde so genauesten Prüfungen hinsichtlich Effizienz, Kosten, Komfort und Lebensdauer unterzogen.“ Waren die am Markt gängigen Komponenten nicht geeignet, ging es in die Produkteigenentwicklung.
So kreierte das Bochumer Unternehmen Innolectric einer begleitenden Mitteilung zufolge eigens eine neue normgerechte Ladekommunikation. Keysight Technologies steuerte eine innovative SiC-Leistungselektronik bei, sodass das von der Hochschule Bochum entwickelte Prototypenfahrzeug mit rund 400 kW Leistung bei 460 Ampere und bis zu 900 Volt geladen werden kann. „Dies würde ein normales Fahrzeug mit einer gängigen Fahrzeugbatterie um das Vierfache überlasten, da die Verlustleistung in der Batterie näherungsweise quadratisch mit dem Ladestrom steigt“, meldet Hofer Powertrain. Zusammen mit der Uni Bochum entwickelte Hofer einen passenden Batterietyp mit „optimalem Verhältnis von Leistung zu Energie“ und „effizientem Kompromiss zwischen Hitzeerzeugung, Lebensdauer und Reichweite“.
Der finale Batterie-Prototyp enthält Zellen mit einem P/E-Verhältnis von 3,5 und einer Energiedichte von 210 Wh/kg. Er wartet mit einer Spannung von 645 bis 903 Volt auf und kann rund 128 kWh aufnehmen. „Die Auswahl der Zellen erlaubt aufgrund des für den Schnellladevorgang optimalen P/E einen Ladevorgang mit konstantem Strom von 460 Ampere“, so Hofer. Und auf ein aufwändiges Kühlkonzept habe man verzichten können, da während des Schnellladevorgangs die Batterietemperatur lediglich um 26 °C ansteige.
„Wir freuen uns, dass wir in den viereinhalb Jahren Projektlaufzeit, unsere Ziele letztendlich noch übertreffen konnten“, so Projektleiter Böhm bei der Abschlusspräsentation des Forschungsprojekts. „Denn mit einer durchschnittlichen Entladeleistung von 70 kW und einer Entlade-Energie von 90,3 kWh erreichen wir eine Gesamteffizienz von 92 Prozent.“
Künftig profitieren alle beteiligten Unternehmen von der im Rahmen des Projekts geleisteten Forschungs- und Entwicklungsarbeit: „Die Entwicklung von neuen Prüfverfahren, eine Highend-Ladeelektronik sowie ein neues Kommunikationsmodul sind neben echten 410 km Reichweite (WLTP: 564 km) bei 88+ kWh und 15 Minuten Ladezeit durchaus interessante Projektergebnisse, die die Entwicklung der E-Mobilität beeinflussen wird“, geben die Partner zu Protokoll.
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