Vergessen Sie 400V - 800V ist auf dem Weg

Zwanzig Jahre später, und obwohl die Batteriechemie heute überwiegend auf Lithium-Ionen (Li-Ion) basiert, sind die übrigen Veränderungen bei Batterien eher bescheiden. Die Betriebsspannung ist auf etwa 400V gestiegen; die Kapazität kann bei Kleinwagen bis zu 17kWh betragen, während High-End-Batterien für Hochleistungsfahrzeuge 100kWh überschreiten können. Abgesehen von Fortschritten in der Batterieentwicklung werden die Kapazitäten von Elektroautos voraussichtlich weiterhin schrittweise steigen, während sich bei der Betriebsspannung größere Veränderungen abzeichnen. Eine neue Generation von Elektrofahrzeugen, wie der in Abbildung 1 gezeigte Taycan von Porsche, ersetzt die 400V-Batterie zugunsten eines 800V-Systems.

Warum der Vorstoß zu einer höheren Spannung? Zwei der größten Herausforderungen bei der Einführung von Elektrofahrzeugen sind die begrenzte Reichweite und lange Ladezeiten. Die ultraschnelle Aufladung kann helfen, beide Probleme zu entschärfen, doch ein DC-Schnellladegerät der aktuellen Generation für ein 400V EV liefert typischerweise nur 50 bis 60kW Ausgangsleistung – bei über 480V und mehr als 100A. Damit lässt sich ein Elektrofahrzeug mit einer Batteriereichweite von rund 160 Kilometern in etwas mehr als 30 Minuten vollständig aufladen.

Bei Elektroautos mit 400V Batterien wird die Ladegeschwindigkeit durch die praktische Größe des Kabels begrenzt, das für den erforderlichen Ladestrom notwendig ist. Eine Erhöhung des Ladestroms führt zu zusätzlicher Wärmeentwicklung in der Batterie. Eine Innentemperatur, die den sicheren Betriebsbereich eines Li-Ionen-Akkus überschreitet, kann die Leistung beeinträchtigen; wenn sie zu hoch wird, kann es zu exothermen Reaktionen, thermischem Durchgehen oder einem Brand kommen. Eine höhere Spannung ermöglicht geringere Stromstärken beim Laden des Akkus, wodurch die Überhitzung reduziert und die Leistung besser gehalten werden kann. Dies trägt zu einer größeren Reichweite bei. Sie ermöglicht auch eine Gewichtsreduzierung, da weniger Kupfer im elektrischen System des Fahrzeugs benötigt wird. Dadurch können kleinere Motoren eingesetzt werden, wodurch im Fahrzeug Platz für zusätzliche Batteriekapazität zur Erhöhung der Reichweite frei wird.

Neue Generationen von DC-Schnellladegeräten, die mit 800V betrieben werden, können eine Leistung von 150 bis 350 Kilowatt erzeugen. Doch das Design eines 800V EV erfordert sorgfältige neue Überlegungen für alle elektrischen Systeme. DC-Spannungen auf diesem Niveau sind bei Berührung lebensgefährlich, auch wenn niedrigere DC-Spannungen üblicherweise als sicher gelten.

Daher sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systems durchgehend hoch. Ein dreiphasiges Hochleistungs-Ladegerät für Elektrofahrzeuge benötigt mechanisch robuste Steckverbindungen sowie ein zuverlässiges elektronisches Sicherheitssystem. Das Batteriemanagementsystem im Fahrzeug steht in ständiger Kommunikation mit der Ladestation. Der Strom fließt nur, wenn der Stecker des Ladegeräts sicher in der Ladebuchse sitzt und das Ladegerät kontinuierlich ein „OK“-Signal sendet. Bei einer Unterbrechung dieses Signals trennt die Ladestation sofort die Verbindung.

RECOM bietet eine Reihe stromsparender AC/DC-Module, DC/DC-Wandler und Schaltregler an, die den Anforderungen von Batterieladeanwendungen zur Hilfsversorgung in DC-Schnellladegeräten entsprechen.

Der RAC05-xxSK/480 von RECOM wurde beispielsweise für Überwachungsaufgaben im in Abbildung 2 gezeigten Ladegerät entwickelt. Der AC/DC-Wandler arbeitet bei Eingangsspannungen von bis zu 528VAC und kann daher problemlos zwischen zwei Phasen in einem Dreiphasensystem eingesetzt werden. Der 5W Wandler ist für Spannungen bis 4kV isoliert und wandelt dreiphasigen Wechselstrom in niedrige DC-Spannungen von 5 oder 12VDC für die Überwachungselektronik um. Die Hilfsenergie des AC/DC-Wandlers versorgt außerdem das Handshaking-System, das den Stromfluss nur dann zulässt, wenn alle übrigen Systeme korrekt funktionieren.

RECOM bietet auch eine nicht isolierte 3,8VDC/3A-Versorgung für drahtlose Schnittstellen an: den RPL-3.0, einen kompakten Abwärtswandler mit 3mm² Footprint und integrierter Induktivität, der über einen einstellbaren Ausgang sowie umfassenden Schutz (SCP, OLP, OVP, OTP, UVLO) verfügt.

RECOM Power Systems liefert hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Aufbereiter und bidirektionale Wandler. Diese basieren auf bewährten Plattformdesigns für dreiphasige AC-Versorgungen mit Leistungen bis 30kW oder mehr bei parallel geschalteten Einheiten.