Hilfsstromversorgung und Wandler-Anforderungen in EV-Ladegeräten

03.06.2022
Ladeanschlüsse für Elektrofahrzeuge
Ladegeräte für Elektrofahrzeuge werden zunehmend verbreitet, sodass der Gesetzgeber inzwischen vorschreibt, dass neue Wohn- und Industriegebäude mit Ladestationen ausgestattet werden müssen. Während die Hauptleistungswandlung ein Bereich intensiver Innovation ist, besteht auch Bedarf an AC/DC- und DC/DC-Hilfsstromversorgungen mit geringer Leistung. Dieser Artikel beschreibt die Anforderungen, die diese Hilfsstromversorgungen erfüllen müssen.

Inhaltsverzeichnis

Rasantes Wachstum der Ladeinfrastruktur und Ladestationen für Elektrofahrzeuge

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen (EV) hat in allen Segmenten deutlich zugenommen. Laut der Datenbank „EV-Volumen“ wurden im Jahr 2021 weltweit 6,75 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft, was einem Anstieg von 108% gegenüber 2020 entspricht (Abbildung 1).

Globales Wachstum der Elektrofahrzeugverkäufe 2012–2021

Abb. 1: Globales Wachstum der EV-Verkäufe, mit Genehmigung, https://www.ev-volumes.com/


Die Gründe für diesen Anstieg liegen auf der Hand: gestiegenes Umweltbewusstsein, steigende Kraftstoffpreise und von Regierungen festgelegte CO2-Reduktionsziele. In Großbritannien traten 2022 Gesetze in Kraft, die vorschreiben, dass jedes neu gebaute Haus mit zugehörigem Parkplatz eine Ladestation erhalten muss. Gleichzeitig wurde das geplante Verkaufsverbot für neue Benzin- und Dieselfahrzeuge in mehreren europäischen Ländern von 2040 auf 2035 vorgezogen. Öffentliche Ladestationen werden ebenfalls zügig ausgebaut und mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet. So müssen in Deutschland seit Juni 2023 alle neuen Ladestationen mit einem Debit- oder Kreditkartenleser ausgestattet sein, um den Zugang zu vereinfachen.

Die Komplexität von EV-Ladegeräten reicht von einer einfachen, langsamen, einphasigen AC-Haushaltsquelle für das On-Board-Laden bis hin zu ultraschnellen Gleichstrom-Ladegeräten mit 800V oder mehr, die aus einem dreiphasigen AC-Netz gespeist werden und mehrere Prozessoren sowie Schnittstellen zur Leistungsregelung, Sicherheitsüberwachung und Cloud-Anbindung für Abrechnung und Fernüberwachung integrieren.

EV-Ladegeräte benötigen eine Hilfsstromversorgung

Jedes DC-Ladegerät benötigt mehrere Hilfsspannungsschienen. Obwohl eine Multi-kW-Hauptstromversorgung als Nebenfunktion Gleichstrom mit geringer Leistung erzeugen kann, beispielsweise über eine zusätzliche Wicklung der PFC-Induktivität, ist dies in der Praxis selten sinnvoll. Im Leerlauf arbeitet die Hauptstromversorgung des DC-Ladegeräts mit reduziertem Wirkungsgrad und verursacht unnötige Verluste. Wird im Standby-Betrieb Hilfsenergie benötigt, sollte diese daher von separaten AC/DC-Hilfsstromversorgungen mit geringer Leistung bereitgestellt werden, während die Hauptleistungsstufe deaktiviert bleibt. AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung sind auf hohen Wirkungsgrad im typischen Lastbereich ausgelegt.

Außerdem macht eine unabhängige Versorgung das Ein- und Ausschalten der Hauptstromversorgung sicherer und vorhersehbarer. Separate AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung ermöglichen isolierte DC-Rückleitungen für verschiedene Systemteile, wodurch Masseschleifen, EMV-Probleme und mögliche Sicherheitsrisiken an zugänglichen Schnittstellen vermieden werden können. Den AC/DC-Hilfsstromversorgungen können zudem isolierte oder nicht isolierte DC/DC-Stromversorgungen/a> nachgeschaltet werden, um die erforderlichen Point-of-Load-Spannungen bereitzustellen, die den spezifischen Anforderungen an Regelung und Rauschpegel entsprechen.

Überspannungskategorie, Überspannungsschutz und Umweltanforderungen für EV-Ladegeräte

AC/DC- und DC/DC-Hilfsstromversorgungen in DC-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge müssen besonderen Umweltanforderungen standhalten und zugleich eine lange Lebensdauer sowie hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. Mindestens Komponenten in Industriequalität sind erforderlich, zusätzlich müssen spezifische Normen erfüllt werden, beispielsweise EN 61851-23 „Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, Gleichstromladestationen für Elektrofahrzeuge“.

Die genannte Norm deckt viele Bereiche ab und verweist auf weitere Dokumente. Sie legt unter anderem fest, dass die Stromversorgung eines EV-Ladegeräts der Überspannungskategorie (OVC) III IV entsprechen muss. In der Praxis bedeutet dies, dass selbst viele industrielle AC/DC-Stromversorgungen ungeeignet sind, da sie in der Regel nur für Kategorie II in Netzinstallationen ausgelegt sind, meist nach einer vorgeschalteten Einrichtung zur Begrenzung von Spannungsspitzen. Die OVC beziehen sich auf Transienten, die beispielsweise durch Blitzeinschläge entstehen können, und sind in Abbildung 2 mit den zugehörigen Impulsspannungen gemäß IEC 60664-1 zusammengefasst.
Diagramm der IEC-Überspannungsschutzgerätenormen
Abb. 2: OVC nach verschiedenen Standards
Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) sind in Abbildung 2 dargestellt (Klasse B, C und D) und ermöglichen es, den Grad der Überspannung vom Eingang eines Gebäudeverteilungssystems bis hin zu den Endgeräten zu reduzieren. SPD der Klasse A (nicht dargestellt) sind Teil des oberirdischen NS-Verteilungssystems. Ein SPD der Klasse B, gekennzeichnet durch eine Stromwellenform von 10/350µs, ist typischerweise eine Gasentladungsröhre, also eine Funkenstrecke, während ein SPD der Klasse C durch eine Stromwellenform von 8/20µs und ein SPD der Klasse D durch eine Kombination aus 1,2/50µs Spannungswellenform und 8/20µs Stromwellenform charakterisiert ist.

Sowohl bei Klasse C als auch bei Klasse D handelt es sich in der Regel um Metalloxid-Varistoren (MOV), wobei einem Klasse D Typ stets ein Klasse C Typ vorgeschaltet ist. MOV besitzen eine begrenzte Lebensdauer, da ihre Klemmenspannung mit jedem Überspannungsereignis abnimmt, bis sie sich der normalen Betriebsspannung nähern und der Leckstrom bis zur Überhitzung und schließlich zum Ausfall ansteigt. Externe MOV, die als SPD ausgeführt sind, verfügen daher in der Regel über eine visuelle Zustandsanzeige und sind häufig im DIN-Schienenformat erhältlich. Einige Varianten ermöglichen optional auch eine Fernüberwachung des Zustands.

In einer EV-Ladeinstallation, insbesondere in einer öffentlichen, kann man davon ausgehen, dass bei einer Umgebung der Klasse OVC IV ein SPD vorhanden ist, um diese auf OVC III zu reduzieren und eine Wechselstromschiene für die Hauptstromversorgung bereitzustellen. Es ist jedoch nicht gewährleistet, dass eine weitere Wechselstromschiene mit einem zusätzlichen SPD für Klasse II zur Verfügung steht, sodass jede AC/DC-Hilfsstromversorgung in der Regel Transienten der Klasse III standhalten muss, was die meisten handelsüblichen Typen ausschließt.

Zudem besteht ein Zusammenhang zwischen den erforderlichen Sicherheitsabständen für eine Überspannungsklasse und der Installationshöhe. Bis zu 2000m ist keine Anpassung erforderlich, darüber hinaus müssen die Abstände mit zunehmender Höhe vergrößert werden, beispielsweise um den Faktor 1,48 bei 5000m. Dieser Aspekt wird gelegentlich vernachlässigt, obwohl es acht Hauptstädte weltweit über 2000m gibt, in denen Ladepunkte für Elektrofahrzeuge erforderlich sind.

Sicherheitsnormen für Hilfsstromversorgungen in EV-Ladegeräten

Die aktuelle Version der EN 61851-23:2014 verweist weiterhin auf die EN 60950-1 als Sicherheitsnorm, obwohl diese seit Ende 2020 veraltet ist und durch die EN 62368-1 ersetzt wurde, die in der Regel für EV-Anwendungen akzeptabel ist. Dennoch sollte die jeweils gültige Spezifikation geprüft werden. Die EN 61851-1 schreibt beispielsweise vor, dass Sicherheitstransformatoren der IEC 61558-1 entsprechen müssen. Die EN 62368-1 verweist auf diese Norm als Option mit zusätzlichen Anforderungen. AC/DC-Transformatoren mit Zertifizierung nach IEC 61558-1 sind daher eine sichere Wahl. Netzteile mit einer Zertifizierung nach IEC/EN 60335-1 können auch für Ladegeräte mit einer maximalen Ausgangsspannung von 120VDC relevant sein, wie sie beispielsweise für Plug-in-Hybride oder E-Scooter mit 48V- oder 72V-Batterien eingesetzt werden.

Die AC-Versorgungsspannung für EV-DC-Ladegeräte hängt vom Standort ab und kann einphasig 115/230VAC oder dreiphasig 400VAC beziehungsweise 480VAC betragen. AC/DC-Hilfsstromversorgungen mit geringer Leistung werden in dreiphasigen Systemen in der Regel zwischen Phase und Neutralleiter angeschlossen, was in 480VAC-Systemen einen Betrieb bei 277VAC Nennspannung erfordert. Einige AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung sind jedoch verfügbar, die in 480VAC-Delta-Systemen auch mit der maximalen Phase-Phase-Spannung bis zu 528VAC betrieben werden können.

Umwelt- und Betriebsbedingungen für EV-Ladegeräte

Die EN 61851-23 legt fest, dass die Umgebung für ein DC-EV-Ladegerät hinsichtlich des Verschmutzungsgrades spezifiziert ist, nämlich Grad 3 für den Einsatz im Freien und Grad 2 für Innenräume, außer in Industrieumgebungen, wo ebenfalls Grad 3 gefordert ist. Verschmutzungsgrad 3 ist definiert als leitfähige Verschmutzung oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die durch Kondensation leitfähig wird. In der Praxis bedeutet dies, dass die Elektronik beschichtet oder gekapselt sein oder über erhöhte Kriechstrecken verfügen muss, um Fehlfunktionen und Spannungsdurchbrüche bei feuchter, schmutziger oder staubiger Umgebung zu vermeiden, wie sie beispielsweise in Garagen oder offenen Parkbereichen typisch ist.

Die thermischen Anforderungen an die Ladegeräteelektronik müssen den potenziell rauen Umgebungsbedingungen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sowie bis zu +60°C und darüber bei Außeninstallationen in direkter Sonneneinstrahlung entsprechen. Industrietaugliche AC/DC-Stromversorgungen mit einem typischen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C sind hierfür in der Regel ausreichend.

Standard-AC/DC- und DC/DC-Leistungsmodule für EV-Ladegeräte

RECOM RAC05-K/480 mit Abmessungen
Abb. 3: RECOM RAC05-K/480 mit einem Eingang von 528VAC und einer OVC III-Einstufung
Trotz der komplexen Anforderungen an DC-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge bietet RECOM eine Reihe von Standardprodukten an, die für viele Anwendungen geeignet sind. Dazu zählen gekapselte Miniaturmodule der RAC-Serie mit 3W bis 40W, die für Umgebungen mit hohem Verschmutzungsgrad ausgelegt sind. Zusätzlich zum Standard-Eingangsbereich von 85 bis 264VAC sind einige Varianten für 305VAC bei 277VAC Nennspannung spezifiziert, und das RAC05-K/480 ist für Eingangsspannungen bis zu 528VAC ausgelegt (Abbildung 3).

Alle Module sind für den Betrieb bei Temperaturen von -40°C bis mindestens +80°C ausgelegt und entweder standardmäßig oder optional mit OVC III-Zulassung erhältlich. Die Sicherheitszertifizierung dieser Module ist umfassend, wobei IEC/EN 62368-1 die Mindestanforderung darstellt. Einige Varianten erfüllen zusätzlich IEC/EN 61558 oder EN 60335-1 für Anwendungen im Haushaltsbereich sowie teilweise auch IEC/EN 60601-1 für medizinische Anwendungen.

RECOM bietet zudem eine umfassende Palette an DC/DC-Stromversorgungen, die sich für Gate-Treiber der Hauptleistungsstufe, isolierte Kommunikationsschnittstellen, isolierte Hilfsschienen sowie nicht isolierte Point-of-Load-Stromversorgungen eignen. Alle diese Stromversorgungen verfügen über die erforderliche Robustheit und Qualität für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen von EV-Ladegeräten.

Fazit

Die Gleichstromladung von Elektrofahrzeugen ist ein aufstrebender Markt mit besonderen technischen Anforderungen. Kosten und Baugröße sind ebenfalls ausschlaggebend, aber RECOM bietet Bauteile, die sowohl für modulare AC/DC-Hilfsstromversorgungen als auch für DC/DC-Stromversorgungen für allgemeine Anwendungen geeignet sind.
Anwendungen
  Serie
1 RECOM | RAC05-K/480 Series | AC/DC, THT, 5W, Single Output
Fokus
  • Ultra-wide input range 85-528VAC
  • OVC III input rating without additional fuses
  • Operating temperature range: -40°C to +80°C
  • Overvoltage and overcurrent protected