HV-MELA-BAT: Fraunhofer ISE erreicht Meilenstein bei Hochvolt-Megawatt-Ladesystemen für Schwerlast- und Personenverkehr

© Fraunhofer ISE / Jörg BornwasserFreiburg - Die Verkehrswende im Schwerlastverkehr gewinnt an Dynamik, sowohl bei wasserstoffbetriebenen als auch bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Im Bereich batterieelektrischer Antriebe hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit der Entwicklung eines Hochvolt-Megawatt-Ladesystems jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht.

Das Projekt „HV-MELA-BAT“ demonstriert modulare DC/DC-Wandler, Pufferspeicher aus Second-Life-PKW-Batterien und ein MCS-kompatibles Ladesystem für Ladeleistungen von mehr als 1 MW. Durch den Einsatz innovativer Wandlertechnologie und Pufferspeicherung wird die Netzbelastung begrenzt, während eine hohe Effizienz von 99,26 Prozent und eine volumetrische Leistungsdichte von 9 kW/l erzielt werden. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt und liefert einen technologischen Baustein, um die Elektromobilität im Schwerlast- und Personenverkehr effizient voranzutreiben.

Flexible Megawatt-Ladestationen für unterschiedliche Fahrzeugflotten
Das Verbundprojekt „HV-MELA-BAT“ wurde vom Fraunhofer ISE koordiniert. Weitere Partner waren die Motion Control & Power Electronics GmbH, STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH und Mercedes-Benz Energy GmbH. Ziel des Forschungsprojektes war die Weiterentwicklung bestehender Schnellladeinfrastruktur vom CCS-Standard hin zum Megawatt Charging System (MCS), um den wachsenden Anforderungen im Schwerlast- und Personenverkehr gerecht zu werden.

„Im Fokus des Projekts stand die Weiterentwicklung bestehender Schnellladeinfrastruktur auf Basis des internationalen Standards Combined Charging System (CCS) hin zum neuen Megawatt Charging System (MCS). Die höheren Ladeleistungen stellen die Leistungselektronik, das Kontaktsystem und auch die verfügbare Netzanschlusskapazität vor neue Herausforderungen“, erklärt Dipl.-Ing. Stefan Reichert, Projektkoordinator am Fraunhofer ISE.

Im Rahmen des Projektes wurden die zentralen Komponenten für XXL-Ladevorgänge: netzseitige Gleichrichter, modulare DC/DC-Wandler zur galvanischen Trennung, Spannungsanpassungswandler sowie Hochvolt-Kontaktsysteme entwickelt. Ein Pufferspeicher aus Second-Life-PKW-Batterien reduziert die erforderliche Netzanschlussleistung auf 500 kW, puffert Lastspitzen und senkt die Netzbelastung.

Das MCS-System ist flexibel ausgelegt, um unterschiedliche Fahrzeugtypen und Ladespannungen abzudecken, und abwärtskompatibel zum CCS-Standard. Im Projekt wurde zudem die modulare Verschaltung von bis zu vier Ladepunkten à 250 kW getestet sowie die Einbindung erneuerbarer Quellen wie Photovoltaik-Anlagen. Solarstrom kann direkt genutzt oder in den Pufferspeicher eingespeist werden.

Im Fraunhofer-Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze in Freiburg wurde das komplette System aufgebaut, in Betrieb genommen und getestet. Dabei wurden über 1 MW Ladeleistung bei einer Netzanschlussleistung von nur 500 kW demonstriert - der Pufferspeicher stellt die restliche Leistung bereit.

Hochfrequente DC/DC-Wandlertechnik für Rekord-Effizienz
Eine Kerninnovation des Projekts ist ein ultrakompakter galvanisch trennender DC/DC-Wandler mit 250 kW. Vier dieser Module werden parallel geschaltet, um 1 MW Ladeleistung zu erreichen. Die Stromrichter basieren auf der Topologie eines Serien-Resonanz-Wandlers und arbeiten mit einer Taktfrequenz von bis zu 200 kHz.

Die DC/DC-Wandler übernehmen dabei eine zentrale Funktion: Sie passen die Spannungen von Netz, Pufferspeicher und Fahrzeugbatterien aneinander an, ermöglichen die galvanische Trennung der Systeme und sorgen dafür, dass trotz begrenzter Netzanschlussleistung volle Ladeleistung bereitgestellt werden kann.

Durch die hohe Schaltfrequenz können Bauteile wie Hochfrequenztransformatoren und Resonanzkreise kleiner dimensioniert werden, was Materialeinsatz und Volumen reduziert. Der Wandler erreicht eine volumetrische Leistungsdichte von 9 kW/l und eine maximale Effizienz von 99,26 Prozent - laut Fraunhofer ISE ein weltweit einmaliger Wert im Megawattbereich.