„Laden kann ganz schnell gehen“

Smarte Leistungselektronik für die E-Mobility

„Laden kann ganz schnell gehen“

Elektromobilität wird zu einem immer wichtigeren Bestandteil in unserem Leben. Sie ist untrennbar mit dem Aufbau von Smart-Grid-Lösungen verbunden, in die auch die Leistungselektronik für Ladeinfrastruktur eingebettet ist. Mit den Charx Power-Leistungsmodulen bietet Phoenix Contact eine bedarfsgerechte Lösung für das Laden von Elektrofahrzeugen.

Für das Laden unterwegs ist die Bereitstellung hoher Ladeleistungen und damit kurzer Ladezeiten von entscheidender Bedeutung für Akzeptanz der gesamten Elektromobilität. (Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG)
Für das Laden unterwegs ist die Bereitstellung hoher Ladeleistungen und damit kurzer Ladezeiten von entscheidender Bedeutung für Akzeptanz der gesamten Elektromobilität. (Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG)


Themen wie CO2-Reduktion und die Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte sind aktueller denn je. Diese sind eng verbunden mit der Vision der All Electric Society. Sie beschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als primäre Hauptenergieform weltweit in ausreichendem Maße und vollständig wirtschaftlich zur Verfügung steht. Grundlage dafür ist die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastrukturen – so auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge und eine intelligente Ladeinfrastruktur. Denn mit dem Zuwachs an Elektrofahrzeugen wird auch die Anforderung nach bereitzustellender Energie für den Ladevorgang höher. Der Mobilitäts- und der Energiesektor müssen dabei intelligent miteinander gekoppelt werden, um eine saubere und bedarfsgerechte Erzeugung, Speicherung und Verteilung der Energie zu ermöglichen. Es gilt zu berücksichtigen, dass es sowohl Zeiten mit höherer Anforderung an die Bereitstellung von Energie als auch Ruhephasen geben wird.

Charx DC/DC-Konverter in Kombination mit Energiespeichern ermöglichen die Versorgung von Ladestationen im Falle von nicht ausreichender Netzleistung. (Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG)
Charx DC/DC-Konverter in Kombination mit Energiespeichern ermöglichen die Versorgung von Ladestationen im Falle von nicht ausreichender Netzleistung. (Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG)

Komplexe Anforderungen

Schaut man sich die Energieverteilungsnetze in Deutschland an, so haben wir heute im Mittelspannungsbereich eine typische Ring-Topologie, geprägt durch Ring Main Units, die mit weiteren Schaltanlagen verbunden sind. Speziell in der Niederspannungs- und gegebenenfalls auch in der Mittelspannungsverteilung stoßen wir heute bereits mit der aktuellen technischen Ausrüstung an unsere Grenzen. Aus diesem Grund ist es auch sehr wichtig, dass die Elektromobilität und die damit verbundenen Ladevorgänge bei den weiter auszubauenden intelligenten Energienetzen berücksichtigt werden. Über Mittel wie z.B. dem Monitoring der bereitgestellten Leistung oder dem Einsatz von Ladezeitprogrammen, die das Verhältnis zur Verfügung stehender und benötigter Leistung abbilden, muss sichergestellt werden, dass die benötigte Kapazität zu jeder Zeit zur Verfügung gestellt werden kann. Noch komplexer werden die Anforderungen an Energie-Verteilungsnetze, wenn regenerative Energiequellen mit eingebunden werden sollen. Zu diesen gehören eine wachsende Zahl Solar- oder Windenergie-Parks, die quellenbedingt eine undeterminierbare Energiemenge beitragen. Eine funktionierende Ladeinfrastruktur unter Einbindung aller erneuerbaren Energiequellen ist die Kernvoraussetzung dafür, dass der Markt für Elektrofahrzeuge sich weiterhin schnell entwickeln kann. Um sicherzustellen, dass die hier angesprochene benötigte Energie wann immer notwendig angeboten werden kann, sind unterstützende Maßnahmen zum bestehenden Versorgungsnetz notwendig, z.B. das Aufstellen von Batterie-Containern, die überschüssige Energie speichern und zur Verfügung stellen. Weiterhin wird eine leistungsstarke Ladetechnik benötigt, mit der die maximal mögliche Leistung für das Laden zur Verfügung gestellt werden kann. Die leistungsstarke Charx-Power-Lösung beinhaltet sowohl einzelne Lademodule zum Einbau in die Ladesäule als auch ganze Systemschränke für die Versorgung von Ladeparks im Megawattbereich.

Aufbau einer vollständigen DC-Ladestation mit Charx Power-Leistungsmodulen in 19
Aufbau einer vollständigen DC-Ladestation mit Charx Power-Leistungsmodulen in 19″-Technik (Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG)

Leistungsmodule für die Ladesäule

Die Leistungsmodule eignen sich für den Aufbau von DC-Ladetechnik bis hin zum High Power Charging (HPC) von Elektrofahrzeugen. Sie sind in 19″-Technik aufgebaut und somit für den Einbau in jegliche Standard 19″-Schränke geeignet. Die Leistungsvarianten, die kürzlich in den Markt eingeführt wurden, sind das 30kW AC/DC Modul sowie ein 30kW DC/DC Modul mit einer Ausgangsspannung von max. 1000V DC. Diese Module zeichnen sich vor allem durch ihre innere galvanische Isolation aus, was einen zusätzlichen Transformator oft überflüssig macht. Des Weiteren entsprechen sie der Emissionsklasse B und können somit auch in urbaner Umgebung eingesetzt werden. Zudem kann das 30kW AC/DC Modul an einem herkömmlichen 3-Phasen-Anschluss mit 380V und 32A zum Einsatz kommen. Die Module sind kaskadierbar und lassen sich in einem 19″-Schaltschrank zu einer Ladelösung mit einer Leistung von bis zu 360kW kombinieren. Die Module sind mit Lüftern ausgestattet, so dass meist keine zusätzlichen Lüfter oder Klimaanlagen installiert werden müssen. Alle angebotenen Module verfügen über die gleiche Leistungs-Kennlinie. Die Geräte halten die Ladeleistung während des Betriebes konstant.

Bereits seit 2020 bietet Phoenix eine Ladelösung mit 87,5kW-Modulen, die in einem speziell für diesen Typ entwickelten Schrank eingebaut werden. Diese Module haben einen Wirkungsgrad von >97% und sind mit einer Ausgangsspannung von 920V sind bestens für HPC-Ladevorgänge geeignet. Dieser hohe Wirkungsgrad wird u.a. erreicht, indem innerhalb des Moduls auf eine verlustbehaftete galvanische Trennung verzichtet wird. Dies hat aber zur Folge, dass aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung mittels eines vorgeschalteten Transformators vorgesehen werden muss. Es kann sich hierbei um einen Mittelspannungstransformator handeln, wenn sich eine Mittelspannungs-Schaltanlage in der Nähe befindet. Zu beachten ist hier auch, dass dieser Schaltschrank mit den eingebauten Modulen nur in Schutzart IP 20 ausgeführt ist und somit in einer umschlossenen Umgebung installiert werden muss. Für den Fall, dass eine Transformatorstation neu aufgebaut werden muss, sollte eine Kosten-/Nutzen-Analyse durchgeführt werden, um gegebenenfalls eine andere geeignete Lösung für die geplante Ladestation zu finden.

Auch die 87,5kW-Module sind kaskadierbar, und in dem zugehörigen Schaltschrank lassen sich 4 Module mit einer Ladeleistung bis zu 350kW aufbauen. Maximal können bis zu 35 87,5kW-Module parallel verschaltet und somit eine Ladeleistung von bis 3MW ermöglicht werden. Leistungen dieser Größenordnung werden u.a. dazu benötigt, um Energiespeicherkapazitäten im MW-Bereich zu laden. Weiterhin ermöglichen die 87,5kW-Module bei Bedarf die Energie aus den Energiespeichern in das Netz zurückzuspeisen. Durch diese bidirektionale Eigenschaft ist neben der originären Ladefunktion auch die Möglichkeit gegeben, Spitzenlasten im Energienetz auszugleichen; dieser Vorgang wird als „peak shaving“ bezeichnet.

Die Anwendungsgebiete für die Charx Power-Module sind vielfältig. In erster Linie kommen sie in Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Anwendung. Aber auch Applikationen in anderen Bereichen sind möglich, wie z.B. das Laden von mobilen Batteriecontainern, die für den Einsatz auf Baustellen benötigt werden, oder aber im sich entwickelnden Markt der industriellen DC-Versorgung.

www.phoenixcontact.com

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