Überlegungen zur Hilfsversorgung von EV-Ladegeräten

Die Zahl der installierten Ladegeräte steigt exponentiell

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen (EV) in all ihren Formen hat stark zugenommen. Laut der Datenbank „EV-Volumen“ (Abbildung 1) wurden im Jahr 2021 weltweit 6,75 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft, was einen Anstieg von 108 % gegenüber dem Jahr 2020 bedeutet [1].

Die Gründe für diesen Anstieg liegen auf der Hand: das gestiegene Umweltbewusstsein, die steigenden Kraftstoffpreise und die von den Regierungen festgelegten CO2 -Reduktionsziele. In Großbritannien werden im Jahr 2022 bestimmte Gesetze in Kraft treten, die vorschreiben, dass jedes neu gebaute Haus mit zugehörigem Parkplatz eine Ladestation haben muss.

Gleichzeitig wurde das vorgeschlagene Verkaufsverbot für neue Benzin- und Dieselfahrzeuge in mehreren europäischen Ländern von 2040 auf 2035 vorverlegt. Öffentliche Ladestationen werden ebenfalls rasch eingeführt und bieten immer mehr Funktionen. So müssen in Deutschland ab Juni 2023 alle neuen Ladestationen mit einem Debit- oder Kreditkartenleser ausgestattet sein, um den Zugang zu erleichtern.

Die Komplexität der Ladegeräte reicht daher von einer einfachen, langsamen, einphasigen Haushalts-Wechselstromquelle für das Laden an Bord bis hin zu ultraschnellen Gleichstrom-Ladegeräten mit 800 V oder mehr, die von einem dreiphasigen Wechselstromversorger gespeist werden und über mehrere Prozessoren und Schnittstellen für die Steuerung der Stromzufuhr und Sicherheitsfunktionen sowie eine Konnektivität über die „Cloud“ für eine sichere Berichterstattung und Abrechnung verfügen.

EV-Ladegeräte brauchen Hilfsstrom

Jedes Gleichstromladegerät benötigt eine Reihe von Hilfsstromschienen. Obwohl eine Multi-kW-Hauptstromversorgung in der Lage sein kann, als Nebenfunktion Gleichstrom mit geringer Leistung zu erzeugen, z. B. aus einer Wicklung der PFC-Induktivität, ist dies aus verschiedenen Gründen selten sinnvoll. Zum Beispiel arbeitet die Hauptstromversorgung des DC-Ladegeräts im unbelasteten Zustand mit einem schlechten Wirkungsgrad und verursacht erhebliche Verluste. Wenn also im Standby-Betrieb „Haushaltsstrom“ benötigt wird, sollte dieser am besten von AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung stammen, wobei die Hauptstromversorgung deaktiviert wird. AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung sind für einen hohen Wirkungsgrad bei ihren typischen Betriebswerten ausgelegt.

Außerdem macht eine unabhängige Versorgung das An- und Abschalten der Hauptstromversorgung viel sicherer und vorhersehbarer. Separate AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung ermöglichen auch isolierte DC-Rückleitungen für verschiedene Teile des Systems, wodurch Masseschleifen, EMV-Probleme und Sicherheitsbedenken bei zugänglichen Schnittstellen vermieden werden können. Natürlich können den AC/DC-Hilfsstromversorgungen auch isolierte oder nicht isolierte DC/DC-Stromversorgungen nachgeschaltet werden, um alle erforderlichen „Point-of-Load“-Spannungen zu erzeugen, die den spezifischen Anforderungen an Regelung und Rauschpegel entsprechen.

Das schwierige Umfeld für Ladegeräte

AC/DC- und DC/DC-Hilfsstromversorgungen in Gleichstrom-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge müssen besonderen Umweltanforderungen genügen, und es wird ohnehin erwartet, dass sie eine lange Lebensdauer haben und entsprechend zuverlässig sind. Es sind mindestens Teile in Industriequalität erforderlich, aber es gibt auch spezielle Normen, die erfüllt werden müssen, wie z. B. EN 61851-23 „Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, Gleichstromladestationen für Elektrofahrzeuge“.

Die besagte Norm deckt viele Bereiche ab und verweist auf viele andere Dokumente, aber sie besagt zum Beispiel, dass die Stromversorgung eines EV-Ladegeräts der Überspannungskategorie (OVC) III oder IV entsprechen muss. In der Praxis bedeutet dies, dass selbst die meisten industriellen AC/DC-Stromversorgungen ungeeignet sind, da sie in der Regel der Kategorie II für Netzinstallationen entsprechen, nachdem eine Vorrichtung zur Begrenzung von Spannungsspitzen vorhanden ist. Die OVC beziehen sich auf die Transienten, die z. B. durch Blitzeinschläge auftreten können, und sind in Abbildung 2 mit den zugehörigen Impulsspannungen gemäß IEC 60664-1 zusammengefasst.

Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) sind in Abbildung 2 dargestellt (Klasse B, C und D) und ermöglichen es, den Schweregrad der Überspannung zu verringern, weg vom Eingang eines Gebäudeverteilungssystems hin zu den Endgeräten. SPD der Klasse A (nicht dargestellt) sind Teil des oberirdischen NS-Verteilungssystems. Ein SPD der Klasse B, der durch eine Stromwellenform von 10/350µs gekennzeichnet ist, ist typischerweise eine Gasentladungsröhre, also eine Funkenstrecke, während ein SPD der Klasse C durch eine Stromwelle von 8/20µs und ein SPD der Klasse D durch eine Kombination von 1,2/50µs Spannungswellenform und 8/20µs Stromwellenform gekennzeichnet ist.

Sowohl bei der Klasse C als auch bei der Klasse D handelt es sich in der Regel um Metalloxid-Varistoren (MOV), und einem Klasse-D-Typ geht immer ein Klasse-C-Typ voraus. MOV haben eine begrenzte Lebensdauer, da ihre Klemmenspannung mit jedem Überspannungsereignis abnimmt, bis sie sich der normalen Betriebsspannung nähern und der Leckstrom bis zum Punkt der Überhitzung und des Ausfalls ansteigt. Aus diesem Grund verfügen externe MOV, die als SPD eingestuft sind, in der Regel über eine visuelle Zustandsanzeige und haben in der Regel ein DIN-Schienenformat. Einige können den Zustand optional auch aus der Ferne anzeigen.

In einer EV-Ladeinstallation, insbesondere in einer öffentlichen, kann man davon ausgehen, dass bei einer Umgebung der Klasse OVC IV ohnehin ein SPD vorhanden ist, um diese auf OVC III zu reduzieren und eine Wechselstromschiene für die Hauptstromversorgung bereitzustellen. Es ist nicht gewährleistet, dass eine weitere Wechselstromschiene mit einem weiteren SPD für Klasse II zur Verfügung steht, so dass jede AC/DC-Hilfsstromversorgung in der Regel Transienten der Klasse III standhalten muss, was die meisten handelsüblichen Typen ausschließt, die verfügbar sind. Es besteht auch ein Zusammenhang zwischen den Sicherheitsabständen, die in einem Gerät für eine Überspannungsklasse erforderlich sind, einerseits und der Höhe andererseits. Bis zu einer Höhe von 2.000m gibt es keine Korrektur, aber die Abstände müssen mit zunehmender Höhe um einen immer größeren Wert erhöht werden, z. B. 1,48 bei 5.000m. Dieser Aspekt wird manchmal vernachlässigt, aber es gibt acht Hauptstädte auf der Welt, die über 2.000m hoch liegen und in denen mit Sicherheit Ladepunkte für Elektrofahrzeuge benötigt werden.

Sicherheitsstandards für EV-Hilfsstromversorgungen

Die aktuelle Version der EN 61851-23:2014 verweist immer noch auf die EN 60950-1 als Sicherheitsnorm, obwohl diese Norm seit Ende 2020 veraltet ist und durch die EN 62368-1 ersetzt wurde, die normalerweise für EV-Anwendungen akzeptabel wäre. Allerdings muss der Benutzer die genaue Spezifikation überprüfen. Die EN 61851-1 schreibt beispielsweise vor, dass Sicherheitstransformatoren der IEC 61558-1 entsprechen müssen. Die EN 62368-1 verweist auf diese Norm als eine Option mit einigen Ergänzungen und trotz ihrer Einschränkungen. AC/DC-Transformatoren, die bereits die IEC 61558-1-Zertifizierung besitzen, sind daher eine sichere Wahl. Netzteile mit einer Zertifizierung nach IEC/EN 60335-1 können auch für Ladegeräte mit einer maximalen Ausgangsleistung von 120VDC relevant sein, wie sie beispielsweise für Plug-in-Hybride oder E-Scooter mit 48-V- oder 72-V-Batterien verwendet werden.

Die AC-Versorgungsspannung für EV DC-Ladegeräte hängt vom Standort ab und kann einphasig 115/230VAC, dreiphasig 400VAC oder 480VAC erfolgen. AC/DC-Hilfsstromversorgugen mit geringer Leistung werden in dreiphasigen Systemen in der Regel von der Phase zum Nullleiter angeschlossen, was in 480-VAC-Systemen einen Betrieb mit 277VAC Nennspannung erfordert, obwohl einige AC/DC-Stromversorgungen mit geringer Leistung erhältlich sind, die mit der maximalen Phase-Phase-Spannung in 480-VAC-“Delta”-Systemen bis zu 528VAC betrieben werden können.

Das physische Umfeld für E-Ladestationen

Die EN 61851-23 legt fest, dass die Umgebung für ein DC-EV-Ladegerät für minimale Verschmutzung spezifiziert ist, d.h. Grad 3 für die Verwendung im Freien und Grad 2 für Innenräume, außer in Industriegebieten, wo ebenfalls Grad 3 gewährleistet werden muss. Der Verschmutzungsgrad 3 ist wie folgt definiert: „Leitfähige Verschmutzung oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die durch Kondensation leitfähig wird, was zu erwarten ist.” In der Praxis bedeutet dies, dass die Elektronik beschichtet oder gekapselt sein oder eine stark erhöhte Kriechstrecke haben muss, um Fehlfunktionen und Spannungsdurchbrüche zu vermeiden, wenn die Umgebung feucht, schmutzig oder staubig ist - eine typische Umgebung in einer Garage oder auf einem offenen Parkplatz.

Die Wärmewerte der Ladegeräteelektronik müssen auch den potenziell rauen Umgebungsbedingungen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und bis zu +60°C und mehr bei Außeninstallationen in voller Sonne entsprechen. Allerdings sind „industrietaugliche“ Nennwerte für AC/DC-Stromversorgungen von typischerweise -40°C bis +85°C Umgebungstemperatur wahrscheinlich ausreichend.

Teile von der Stange sind verfügbar

Trotz der Komplexität der Anforderungen an Gleichstromladegeräte für Elektrofahrzeuge mit geringer Leistung bietet RECOM eine Reihe von Standardprodukten an, die für viele Anwendungen geeignet sind. Dazu gehören gekapselte Miniaturmodule der RAC-Serie mit 3W bis 40W, die für Umgebungen mit hoher Umweltverschmutzung geeignet sind. Zusätzlich zum „Standard“-Eingangsbereich von 85-264VAC sind einige Varianten auf 305VAC für 277VAC nominal ausgelegt, und das RAC05-K/480 ist für einen Eingang von bis zu 528VAC ausgelegt (Abbildung 3). Alle Module sind für den Betrieb bei Temperaturen von -40°C bis mindestens +80°C ausgelegt und sind entweder standardmäßig oder optional mit OVC III-Zulassung erhältlich. Die Sicherheitszertifizierung all dieser Module ist umfassend, wobei die IEC/EN 62368-1 das Minimum darstellt und einige Teile sogar die IEC/EN 61558 oder EN 60335-1 für den Hausgebrauch und manchmal sogar die medizinische IEC/EN 60601-1 erfüllen.

RECOM kann auch eine umfassende Palette von DC/DC-Stromversorgungen liefern, die für die Gate-Antriebsleistung für die Hauptstromversorgung oder isolierte Kommunikationsschnittstellen, isolierte Hilfsschienen und nicht isolierte Point-of-Load-Stromversorgungen geeignet sind. Alle diese Stromversorgungen verfügen über die Robustheit und Qualität, die für die anspruchsvolle Umgebung, in der sie eingesetzt werden sollen, erforderlich ist.

Fazit

Die Gleichstromaufladung von Elektrofahrzeugen ist ein aufstrebender Markt mit besonderen technischen Anforderungen. Kosten und Größe sind ebenfalls ausschlaggebend, aber RECOM hat Teile, die nicht nur für modulare AC/DC-Hilfsstromversorgungen, sondern auch für DC/DC-Stromversorgungen für allgemeine Zwecke geeignet sind.

Referenzen

[1] https://www.ev-volumes.com/