Schlussbericht zum Verbundvorhaben: PVtec-Charger - Zuverlässige und kostenoptimierte Ladestationen und vernetzte neue Ladelösungen für die netzdienliche und wirtschaftliche Ladung von Elektrofahrzeugen mit Strom aus erneuerbaren Energien; Teilvorhaben: DC-Funktionsmuster größerer Leistung

Abstract

Das Ziel des 7. Energieforschungsprogramms "Innovationen für die Energiewende" der Bundesregierung war der tiefgreifende Umbau des Energiesystems, um den Endenergieverbrauch künftig überwiegend aus erneuerbaren Energien zu decken. Ein wichtiger Teil dieses andauernden Umbaus findet dabei durch eine Energiewende im Verkehr und die Förderung von Innovationen im Bereich der Elektromobilität, insbesondere bei Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, statt. Bereits zum Start des Verbundvorhabens PVtec-Charger waren Ladestationen für Elektrofahrzeuge für unterschiedliche Einsatzbereiche und Anwendungsfälle in einer Vielzahl an Varianten und Leistungsklassen am Markt verfügbar. Diese zeichneten sich jedoch vielfach durch zum Teil sehr hohe Kosten, geringe Optimierung auf bestimmte Anwendungsfälle und unzureichende Systemintegrierbarkeit aus. Um den Ausbau mit Ladeinfrastruktur für Elektromobilität nachhaltig und wirtschaftlich vorantreiben zu können, wurde eine deutliche Kostenreduktion, eine Erhöhung der Zuverlässigkeit, eine optimale Anpassung des Funktionsumfangs auf verschiedene Anwendungsfälle und eine interoperable, netzdienliche Systemintegration als angestrebtes Ergebnis des Verbundvorhabens identifiziert. Der im Verbundvorhaben untersuchte, neuartige Lösungsansatz sollte daher eine Reihe technologischer Innovationen aus der Wechselrichter- und Digitalisierungstechnik sowie eine ganzheitliche Betrachtung von Leistungselektronik auf Baugruppenebene bis hin zur optimalen Integration ins Energiesystem umfassen. Im Rahmen des Teilvorhabens der elexon wurde die Entwicklung und Untersuchung einer innovativen Ladestation mit hoher Leistung für den öffentlichen Raum umgesetzt. Dazu wurden zunächst im Konsortium Rahmenbedingungen und Trends gesammelt und analysiert, sowie typische Anforderungen aus verschiedenen Anwendungsfällen abgeleitet. Auf Basis dessen wurden zukunftsfähige Systemarchitekturen nebst zugehörigen Schnittstellen und optimierte Testverfahren erarbeitet, sowie der Entwicklungsbedarf für einzelne Ladesäulen-Komponenten analysiert. Daraus abgeleitet wurde dann ein Konzept für eine funktional erweiterte und optimierte Ladestation großer Leistung für den öffentlichen Raum erarbeitet, als Funktionsmuster umgesetzt und im Labor, sowie im Power-Hardware-in-the-Loop (PHiL) Prüfstand der RWTH Aachen, untersucht. Das entwickelte Funktionsmuster eines 75 kW Leistungsteils mit variabel seriell oder parallel verschaltbaren Modulen wurde in beiden Betriebsarten (seriell, parallel) erfolgreich auf stabile Funktionalität getestet. Erste Messungen an einer Ladesäule in emulierten Testszenarien im PHiL-Prüfstand konnten einen regulären Normalbetrieb abbilden, zeigten allerdings, dass die Ladesäule derzeit noch empfindlich auf Netzfehler reagiert. Zudem konnten EMV-Messungen im Labor zeigen, dass auch ohne zusätzliche aufwändige Entstörmaßnahmen die Anforderungen eingehalten werden konnten, was potenzielle Kostensenkungen auf Systemebene von bis zu 5% zur Folge haben kann. Die im Verbundvorhaben entwickelte optimierte Architektur kann zudem weitere Einsparungen auf Systemebene ermöglichen.