Ladestationen im Leistungsbereich zwischen 50 kW und 350 kW

Die Aussichten für die E-Mobilität sind glänzend. Laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA)* wurden im ersten Quartal 2021 140 Prozent mehr Elektrofahrzeuge verkauft als im gleichen Zeitraum des Vorjahres. Damit dieser Trend anhalten kann, ist es von entscheidender Bedeutung, den Besitzern von E-Autos das Leben so leicht wie möglich zu machen, also vergleichbare Bedingungen zu schaffen wie bei herkömmlichen Fahrzeugen. Hierbei spielen hochleistungsfähige DC-Ladestationen eine wichtige Rolle.

Um die Menschen davon zu überzeugen, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen, müssen Möglichkeiten gefunden werden, deren Reichweite zu erhöhen. Die Fahrzeughersteller arbeiten an effizienteren Batterien, aber genauso wichtig ist es, eine leistungsfähige, praktische und gut zugängliche Ladeinfrastruktur zu schaffen. Dieser Bedarf an mehr Reichweite und einer zuverlässigen Infrastruktur bedeutet, dass mehr Leistung so schnell wie möglich zur Verfügung gestellt werden muss.

An hochleistungsfähigen DC-Ladestationen mit bis zu 350 kW können Fahrzeugbatterien so weit nachgeladen werden, dass sich die Reichweite des Fahrzeugs in nur sieben Minuten um 200 km erhöht – diese Zeit reicht gerade aus, um unterwegs einen Kaffee zu trinken. Die Technologie, die solche schnellen, effizienten und gut zugänglichen Ladestationen unterstützt, wird den Fahrern die Angst vor zu geringer Reichweite nehmen und den Umstieg auf Elektrofahrzeuge weltweit erleichtern.

^{*Quelle: Internationale Energieagentur (IEA) https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2021?mode=overview}

Infineon bietet ein unübertroffenes Portfolio an Komponenten für E-Ladesysteme. Dank unserer kombinierten Systemlösungen und unseres Know-hows stehen Ihnen beim Design von Ladestationen für Elektrofahrzeuge in jeder Hinsicht die besten Produkte und Technologien zur Auswahl. Diese können Sie den Kunden dann zu einem optimalen Preis/Leistungsverhältnis bereitstellen.

Für die Auswahl der idealen Leistungshalbleiter muss bekannt sein, welchen Leistungsbereich die Ladestation abdecken soll, da dieser Faktor eine maßgebliche Rolle spielt. Bei Ladestationen im Leistungsbereich über 50 kW werden in der Regel die folgenden Komponenten von Infineon verwendet: IGBTs, CoolSiC™ MOSFETs und Leistungsmodule mit Dioden, wie das Modul CoolSiC™ Easy, IGBT EconoPACK™ und die Komponenten der Produktfamilie IGBT EconoDUAL™. Durch Kombination mehrerer Untereinheiten von 50 kW bis 100 kW lassen sich dann Ladestationen im Leistungsbereich über 100 kW herstellen.

Unser Portfolio an hochwertigen Leistungsschaltern ist problemlos mit unserer umfangreichen Produktreihe von Treibern kombinierbar. Jeder Schalter benötigt einen Treiber, der angesteuert werden muss. Daher bekommen Sie bei uns auch den optimal geeigneten EiceDRIVER™-Treiber sowie XMC™- und AURIX™-Mikrocontroller für Ihre Designs von Schnellladestationen. Im Hinblick auf eine reibungslose Stromwandlung bieten unsere kernlosen Stromsensoren die ideale Lösung für Steuerung und Diagnose. Und schließlich sorgt unsere Produktreihe OPTIGA™ für Datenschutz und
-sicherheit der Ladestationen.

Durch die Hochleistungs-Ladestationen soll die Ladezeit so weit verringert werden, dass Elektroautos Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in nichts mehr nachstehen. Man unterscheidet zwei denkbare Architekturen von Ladeinfrastrukturen: Isolierung der Primär(AC)-Seite oder der Sekundär(DC)-Seite.

Isolierung der Primär(AC-)Seite

Ein Ladepark mit sechs bis acht Hochleistungs-Ladestationen kann für eine Gesamtleistung von 2 MW bis 3 MW ausgelegt werden, was im praktischen Einsatz schon bestätigt wurde. Zur Stromversorgung dient ein Mittelspannungstransformator mit hohem Wirkungsgrad für 22 kV bis 500 kV, um die AC-Seite des Systems zu isolieren. Es folgt eine AC-DC-Stufe, die je nach Bedarf auch einen aktiven Gleichrichter umfasst. Eine Option ist die passive Mehrpuls-Gleichrichtung, um die durch den Strom verursachten Oberschwingungen so zu begrenzen, dass die geltenden Vorschriften eingehalten werden. Durch Isolierung der Primärseite können beim Design Topologien mit nicht-isolierten DC-DC-Wandlern für die Gleichstromwandlungsstufe verwendet werden. Normalerweise ist für diese Architektur ein Mehrphasen-Abwärtswandler mit einem DC-Wandlerblock geeignet.

Der AC-DC-Wandler ist einem EMI-Filter nachgeschaltet, wandelt Wechselspannung in Gleichspannung und weist in der Regel eine geregelte Gleichrichterstufe auf. Die DC-DC-Umrichterstufe arbeitet mit Isolierung: Zunächst wird die Gleichspannung in eine Hochfrequenz-Wechselspannung umgerichtet, anschließend wird diese auf der Sekundärseite des Transformators gleichgerichtet.

Die übliche Strategie in dieser Leistungskategorie ist die Verwendung von Leistungsmodulen anstelle von diskreten Komponenten. Lösungen auf Basis von IGBTs mit den Produktreihen EconoPACK™ und EconoDUAL™ sind perfekt für Vienna- und AFE-Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom geeignet und werden normalerweise bei etwa 20 kHz betrieben. CoolSiC™ Easy-Module ermöglichen den Betrieb der Gleichrichterstufe bei ca. 40 kHz bis 50 kHz. Module der Produktfamilie CoolSiC™ sind auch ideal für die Gleichspannungswandlerstufe geeignet: Sie ermöglichen hohe Schaltfrequenzen, eine Verringerung der Gesamtgröße des Systems und einen höheren Wirkungsgrad.

Elektromobilität dringt immer stärker in unser tägliches Leben vor. Dadurch wächst auch der Bedarf an effizienteren Ladelösungen. Angesichts der Anforderungen und technologischen Entwicklungen in diesem Bereich besteht die Herausforderung darin, intelligente und kompakte Lösungen zur Stromwandlung für die aktuellen und zukünftigen Ladenetze zu entwickeln. In diesem Webinar erhalten Sie einen gründlichen Einblick in das umfassende Portfolio von Infineon für DC-Ladelösungen mit Schwerpunkt auf der SiC-Technologie und ihrem bedeutenden Beitrag zum Ultra-Schnellladen von Elektrofahrzeugen.

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