Ziel des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Forschungsprojekts „Durchgängiges Schnellladekonzept für Elektrofahrzeuge“ (Abk. „D-SEe“) war es, die Ladedauer für 400 km reale Fahrleistung auf 15 Minuten zu reduzieren. Die beteiligten Kooperationspartner hofer powertrain, Hochschule Bochum, innolectric, Keysight Technologies, Sensor-Technik Wiedemann (STW) und Voltavision haben innerhalb von viereinhalb Jahren Forschungsarbeit dafür die gesamte Energiefluss-Kette vom Stromnetz, über die Ladeelektronik und das Ladekabel bis hin zur Fahrzeugbatterie analysiert und optimiert. Das Ergebnis sind eine Schnellladestation mit 450 kW Ladeleistung sowie ein zur Reproduzierbarkeit geeignetes Prototypenfahrzeug, die gemeinsam in der Lage sind, die notwendige Energie zum Fahren von 400 km in nur 15 Minuten in die Fahrzeugbatterie zu laden.

Stand der Technik und Projektziel

Für eine Reichweite von 400 km und die in der Regel hierfür benötigten 88 kWh dauert der Ladevorgang an Ladestationen mit einer Leistung von 50 kW mehr als eineinhalb Stunden. Schneller geht es bereits bei Porsches Taycan 4S, der zwischen 0 und 80% Ladezustand mit durchschnittlich knapp 170 kW laden kann. Da von dieser Leistung maximal 150 kW tatsächlich in der Batterie gespeichert werden, würde der Taican mindestens 35 Minuten zur Ladung von 88 kWh benötigen - wenn seine Batterie groß genug wäre. „Die Herausforderung des Forschungsprojektes war es, diese Ladeleistung weiter zu optimieren und hierfür die bis dato am Markt gängigen elektronischen Komponenten, Ladekabeltechnik und Fahrzeugbatterie zu modifizieren und weiter zu entwickeln“, so Prof. Dr.-Ing. Kai André Böhm, Professor an der Hochschule in Esslingen und Projektleiter des Forschungsprojektes „D-SEe“. Jedes verwendete Bauteil musste den hohen Projektanforderungen standhalten und wurde so genauesten Prüfungen hinsichtlich Effizienz, Kosten, Komfort und Lebensdauer unterzogen. Ebenfalls mussten bestehende Normen und Standards berücksichtigt werden wie die normgerechte Umsetzung der DIN SPEC 70121, welche die Grundlagen des DC-Schnellladens definiert.

Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Als klaren Vorteil beschreibt Böhm die Tatsache, dass alle Unternehmen bereits seit Jahren im Bereich der Elektromobilität tätig sind und ihr tiefes Fachwissen in das Forschungsprojekt einbringen konnten. Waren die am Markt gängigen Komponenten nicht geeignet für die Projektrealisierung ging es in die Produkteigenentwicklung. So entwickelte das Bochumer Unternehmen innolectric eigens für den Schnellladevorgang mit dem DC Charging Controller eine neue normgerechte Ladekommunikation. Keysight Technologies konstruierte für den Schnellladevorgang eine neue fortschrittliche Leistungselektronik, die aufgrund der verbauten SiC Technologie sehr hohe Leistungen von bis zu 450 kW zuverlässig und über längere Zeiträume ermöglicht. Dank dieser Technologie kann das Prototypen-Fahrzeug von der Hochschule Bochum mit rund 400 kW Leistung bei 460 A und bis zu 900 V bestromt werden. 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. Den hierzu passenden Batterietyp entwickelten hofer powertrain und die Hochschule Bochum. Ziel war es, dass die Fahrzeugbatterie ein optimales Verhältnis von Leistung zu Energie aufweist und so einen effizienten Kompromiss zwischen Hitzeerzeugung, Lebensdauer und Reichweite ermöglicht. Getestet hat die verschiedensten Zellformate, die es in die engere Auswahl schafften, der Hochvolt-Testdienstleister Voltavision. Die standardisierten und automatisierten Prüfverfahren wurden im Rahmen des Forschungsprojektes immer wieder modifiziert und zum Teil von Voltavision neu entwickelt. Der finale Batterie-Prototyp glänzt nun mit Zellen mit einem P/E Verhältnis von 3,5 und einer Energiedichte von 210 Wh/kg. Die neue High Power Prototyp-Batterie mit Li-Io Technologie hat eine Spannung von 645-903 V und kann rund 128 kWh aufnehmen. Auch für den eigentlichen Ladevorgang wurden von hofer powertrain und Mitarbeiter*innen der Hochschule Bochum verschiedenste Strategien getestet. Die Auswahl der Zellen erlaubt aufgrund des für den Schnellladevorgang optimalen P/E einen Ladevorgang mit konstantem Strom von 460 A. Auf ein aufwändiges Kühlkonzept konnte verzichtet werden, da während des Schnellladevorgangs die Batterietemperatur lediglich um 26 °C ansteigt. Das passende Battery Management System (BMS), das die hohen Spannungen und eine maximale Ladeleistung ermöglicht, realisierte die Firma Sensor-Technik Wiedemann (STW).

Ergebnis

„Wir freuen uns, dass wir in den viereinhalb Jahren Projektlaufzeit, unsere Ziele letztendlich noch übertreffen konnten“, erklärte Kai André Böhm bei der Abschlusspräsentation des Forschungsprojektes, „denn mit einer durchschnittlichen Entladeleistung von 70 kW und einer Entlade-Energie von 90,3 kWh erreichen wir eine Gesamteffizzienz von 92 %.“

Zudem profitieren alle beteiligten Unternehmen von der im Rahmen des Projektes 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 eMobilität beeinflussen wird. „Ich gehe davon aus, dass diese Schnellladetechnologie in Zukunft in PKW zu finden sein wird“, antwortet Christoph Dörlemann von Keysight Technologies, auf die Frage, inwieweit eine Umsetzung in Serie denkbar sei.

Projektpartner