Arten des Ladens von Elektrofahrzeugen und gängige Topologien

Nachfrage nach EV-Ladestationen wächst – Während sich die Trends hin zur Elektrifizierung und Dekarbonisierung weltweit weiterentwickeln, wird prognostiziert, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 10 % steigen wird. Bis Ende 2025 werden voraussichtlich fast 50 Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen sein, was den dringenden Bedarf an mehr Ladestationen und schnelleren Ladegeschwindigkeiten für Elektrofahrzeuge antreibt. Dieser Artikel führt Sie ein in die Arten von Elektrofahrzeug-Ladungen und gängige Topologien sowie relevante Lösungen, die von Wolfspeed angeboten werden. Für detailliertes Wissen und eine tiefere Auseinandersetzung besuchen Sie bitte Wolfspeeds Anwendungshinweis: PRD-08367: Leitfaden für Stromtopologien beim Laden von Elektrofahrzeugen | Wolfspeed.

Mit der Zunahme von Elektrofahrzeugen (EVs) auf den Straßen steigt auch die Nachfrage nach der benötigten Elektrizität, um sie zu laden, exponentiell an. Es wird geschätzt, dass im Jahr 2030 etwa 230 TWh Energie benötigt werden, um diese Fahrzeuge zu laden, verglichen mit der heutigen Nachfrage von 11 TWh. Um so viele Autos und den damit verbundenen Strombedarf bedienen zu können, werden fast 30 Millionen Ladegeräte benötigt. Während die meisten Ladegeräte in privaten Haushalten installiert werden, müssen mehr als 1,2 Millionen öffentliche Ladegeräte installiert werden, um Elektrofahrzeuge unterwegs zu versorgen.

Heimladegeräte nutzen typischerweise die gängige, leicht verfügbare Wechselstromversorgung (AC). Öffentliche Ladegeräte hingegen sind darauf ausgelegt, ein schnelles und zuverlässiges Ladeerlebnis zu bieten, ähnlich wie beim Tanken eines traditionellen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (ICE). Das bedeutet, dass öffentliche Schnellladegeräte über genügend Leistungsabgabekapazität verfügen müssen (bis zu 600 kW), um Elektrofahrzeuge in weniger als 15 Minuten vollständig aufzuladen. Dies ist nur mit Gleichstromladung (DC) möglich.

Arten des Ladens

AC-Laden bezieht sich auf das Laden mit der normalen Stromversorgung, die in einem typischen Haushalt verfügbar ist, und zwar in Form von Wechselstrom (AC), daher der Name. Für diese Art des Ladens wird ein On-Board-Ladegerät (OBC) im Elektrofahrzeug benötigt, das den Strom von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt, welcher für das Laden der Batterie mittels AC erforderlich ist.

Level 1 Wechselstrom

Dies ist das einfachste Ladegerät, das 120-240Vac (13-16A) vom Stromnetz empfängt und dann über ein Ladekabel an das Elektrofahrzeug weitergibt. Es ist die langsamste Art von Ladegerät, aber auch die transportabelste und kann nahezu überall eingesteckt werden. Die meisten Modelle sind in der Regel bis zu 1kW ausgelegt.

Level 2 Wechselstrom

Ein AC-Ladegerät der Stufe 2 nutzt weiterhin die leicht verfügbare 120-240-V-Wechselstromversorgung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass es für einen höheren Strom (32-40A) ausgelegt ist. Diese AC-Ladegeräte sind normalerweise dauerhaft an Häuser und an Säulen in öffentlichen Bereichen angeschlossen. Sie sind meist für Leistungen von bis zu 11-22 kW ausgelegt.

DC-Ladung

Um die Ladezeiten für Elektrofahrzeuge zu verkürzen, führt kein Weg an der DC-Ladung vorbei. DC-Ladegeräte liefern direkt Strom an die Batterie des Elektrofahrzeugs, indem sie das im Fahrzeug integrierte Ladegerät umgehen.

Level 2 DC-Ladung / Level 2+ / DC-Wandladegerät

Für Leistungsbereiche von etwa 20-25 kW würde eine gängige Lösung als „Level-2“-DC-Ladegerät bezeichnet, obwohl es keine offizielle Namenskonvention dafür gibt. Diese Ladegeräte sind sowohl in Wohn- als auch in Gewerbegebieten zu finden.   Der größte Unterschied im Vergleich zum AC-Laden besteht darin, dass ein zusätzlich eingebauter Leistungsverstärker-Umwandler vorhanden ist, der die Gleichrichtung von AC zu DC durchführt (z. B. „AFE“ - Active Front End). Anschließend wird dieser Gleichstrom über ein Ladekabel in das Auto eingespeist, um die Batterie zu laden. Je nach Auswahl der Leistungsbauteile kann das Gerät auch bidirektionale Funktionalität bieten.

Level 3 DC-Schnellladung (DCFC)/ Schnell-/ Supercharger

DC-Ladegeräte der Stufe 3 werden oft als DC-Schnellladegeräte (DCFCs) oder Supercharger bezeichnet. Die Leistungsstufen für diese Art von Ladegeräten können leicht zwischen 50 kW und bis zu 1 MW variieren. Diese Ladegeräte bestehen aus mehreren Leistungsblöcken von 20, 30, 50, 60 kW oder sogar höher, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Abhängig von der Kapazität können diese Schnellladegeräte eine typische EV-Batterie in weniger als 20 Minuten aufladen.

Ladestandards

Genauso wie wir unterschiedliche Ladelevel haben, um Leistungsstufen zu unterscheiden, gibt es auch verschiedene Standards für die verwendeten Anschlüsse.

Übliche AC-DC-Topologien

Für die AC/DC-Leistungsumwandlung können Einphasen- und Dreiphasentopologien verwendet werden. Einphasen-Topologien sind am häufigsten für das Laden zu Hause oder bei Leistungsstufen unter 6,6 kW, während Dreiphasen-Topologien besser für Hochleistungs-Ladeblöcke (>11 kW) geeignet sind:

Für Informationen zu jedem Topologieschaltkreis, empfohlenen Komponenten und Referenzdesigns besuchen Sie bitte die Wolfspeed-Anwendungsnotiz:  PRD-08367: EV Charging Power Topologies Design Guidebook | Wolfspeed.

Gebräuchliche DC/DC-Leistungs-Topologien

Nachdem die Wechselstromleistung in eine typische Gleichstrom-Busspannung von 400V-800V umgewandelt wurde, können wir diese nun in die erforderliche Spannung zum Laden der EV-Batterien umwandeln. Im Folgenden werden verschiedene DC/DC-Topologien behandelt, die dabei helfen können:

Für Informationen zu jeder Schaltungstopologie, empfohlenen Komponenten und Referenzdesigns, besuchen Sie bitte Wolfspeeds Anwendungshinweis: PRD-08367: Leitfaden für das Design von Leistungstopologien für das EV-Laden | Wolfspeed.

Zusammenfassung

Im stetig wachsenden Bereich der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge gibt es einen starken Vorstoß hin zu Lösungen mit höherer Leistung und höherer Dichte, um die Ladezeit im Vergleich zu typischen Verbrennungsmotorfahrzeugen zu verkürzen, was weiterhin ein weit verbreiteter Engpass bleibt. Dies hat zu einer verstärkten Nutzung innovativer Multi-Level-Topologien geführt, um diese Leistungsanforderungen zu erfüllen. Dabei müssen Batterien das Netz während Spitzenlastzeiten unterstützen, wenn sie nicht in Betrieb sind, und es müssen Topologien zur Unterstützung von bidirektionaler Leistung vorhanden sein.   Beide Anforderungen verstärken zusätzlich den Bedarf an effizienteren Leistungshalbleiterschaltern. Wolfspeeds Siliziumkarbid-Bauelemente sind perfekt geeignet, um diese Anforderungen der nächsten Generation zu erfüllen. Besuchen Sie die Website von Wolfspeed, um Produktangebote, Referenzdesigns und Design-Support-Tools zu finden, die Sie benötigen, um Ihre eigene Designreise für EV-Ladegeräte zu starten.