Die Elektromobilität ist nicht nur im PKW-Bereich auf dem Vormarsch. So sind in Deutschland derzeit 676 Elektro- und Plug-in-Hybrid-Busse im Einsatz, wovon mehr als die Hälfte allein im Jahr 2020 angeschafft wurde, wie dem E-Bus-Radar von PwC zu entnehmen ist. Für einen zügigen und kosteneffizienten Ausbau des elektrischen ÖPNV müssen die Ladelösungen jedoch in die städtischen Energieinfrastrukturen integriert werden. Sowohl längere Ruhezeiten im Depot als auch kurze Aufenthalte an Zwischenstopps sollten sich dabei effektiv für Ladevorgänge nutzen lassen, ohne das Versorgungsnetz durch Lastspitzen zu stören. Daher hat die M&P Motion Control and Power Electronics GmbH ein Schnell- bzw. Pulsladesystem entwickelt, das E-Busse mit bis zu 500 kW innerhalb kürzester Zeit netzschonend auflädt. Hocheffiziente SiC-Halbleiter ermöglichen den Einsatz eines leisen und kompakten 30 kHz-Trafos bei einem Wirkungsgrad von mehr als 97,5 Prozent Nennleistung. Dank des modularen Aufbaus kann das System sowohl aus dem Wechselspannungs- als auch aus dem Straßenbahnnetz, über eine Photovoltaikanlage oder eine Batterie gespeist werden. Dies spart Investitionskosten und bietet u.a. die Möglichkeit, überschüssige Bremsenergie der Straßenbahnen zum Laden der Busse zu nutzen, wie es beim vom BMVI geförderten Verbundprojekt GUW+ in Hannover umgesetzt wurde.
„Seit August 2021 werden Verkehrsunternehmen von der europäischen Clean Vehicles Directive dazu verpflichtet, Fahrzeuge mit alternativen Antrieben zu beschaffen“, weiß Dipl.-Ing. Torsten Peppel, Geschäftsführer der M&P Motion Control and Power Electronics GmbH. „Daher planen deutsche Verkehrsbetriebe, bis 2025 insgesamt 3.089 neue, rein elektrisch angetriebene Busse einzusetzen. Dies erfüllt allerdings noch nicht einmal die verbindlichen Vorgaben von mindestens 45 Prozent an ‚sauberen‘ Neufahrzeugen.“ Die größte Hürde ist dabei der notwendige, kostenintensive Ausbau einer entsprechenden Ladeinfrastruktur, welche die Ansprüche des ÖPNV mit mehreren hundert – in großen Städten wie Berlin oder Hamburg auch mehr als 1.000 – Bussen meistern kann. So ist bei den vorgesehenen Schnell- und Pulsladesystemen darauf zu achten, dass sie das allgemeine Versorgungsnetz nicht durch auftretende Leistungsspitzen beeinträchtigen. Zugleich muss jedoch genügend Leistung zur Verfügung stehen, um die zahlreichen Fahrzeuge innerhalb der Ruhezeiten im Depot aufzuladen und deren Batterien auch während der kurzen Aufenthalte an bestimmten Haltestellen aufzufrischen.
Flexible AC- oder DC-Speisung bei hoher Leistungsdichte
Um den Anforderungen im täglichen ÖPNV-Betrieb zu genügen, achtet M&P bei ihren Ladestationen besonders auf eine hohe Leistungsdichte und Flexibilität. „Eine große Herausforderung bei der Entwicklung war es, den normalerweise gebräuchlichen 50 Hz-Trafo durch einen kleineren, leisen und gleichzeitig leistungsfähigeren 30 kHz-Trafo zu ersetzen“, erklärt Peppel. „Die zentrale Komponente unserer Ladestationen ist daher ein spezieller DC/DC-Konverter mit galvanischer Trennung.“ Dieser verfügt über eine Leistung von 75 bzw. 100 kW bei einem Wirkungsgrad von mehr als 97 Prozent. Für die hohe Leistungsdichte bei niedrigen Schaltverlusten sorgen hocheffiziente SiC-Halbleiter. Indem mehrere Konverter parallelgeschaltet und bei Bedarf Zwischenspeicher integriert werden, lässt sich die Output-Leistung zudem auf über 1 MW erhöhen. Da die Schaltfrequenz dabei außerhalb des hörbaren Bereichs liegt, bleiben lediglich die Lüftergeräusche übrig, die bis 75 kW nur etwa 50 dB(A) erreichen und bei stärkerer Kühlungsaktivität entsprechend ansteigen. „Auf diese Weise kann das System bedarfsgerecht auf unterschiedliche Ladesituationen zugeschnitten werden“, so Peppel weiter. „Etwa für längere Zeitspannen im Depot und an Endhaltestellen oder für den Einsatz als Pulsladestation an ausgewählten Zwischenhalten.“
Die modulare Konstruktion der Ladestationen erlaubt zudem eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Spannungsquellen und Ladepunkte. Die Leistung kann dabei direkt aus einem DC-Netz wie etwa einer bereits bestehenden Straßenbahnversorgung, aus einer angebundenen Photovoltaikanlage oder einer integrierten Batterie bezogen werden. „So lassen sich zum Beispiel hohe Kosten für eine komplett neue Ladeinfrastruktur einsparen, überschüssige Bremsenergie aus dem Straßenbahnbetrieb nutzen oder ein Zwischenspeicher einsetzen, der Leistungsspitzen ausgleicht“, erläutert Peppel. Wird zusätzlich ein AC/DC-Konverter mit sinusförmiger Stromaufnahme verwendet, der zur Erhöhung der Leistung ebenfalls parallelgeschaltet werden kann, lässt sich das netzfreundliche Ladesystem auch aus dem normalen Wechselspannungsnetz speisen. Auf der Output-Seite steuert die integrierte Switch-Box wiederum einen oder mehrere Ladepunkte an – beispielsweise automatisierte Stromabnehmer oder handelsübliche Stecker. Da die Switch-Box verschiedene Konverter auf die jeweiligen Ladepunkte aufschalten kann, lassen sich auch Stationen für unterschiedliche Fahrzeuge wie Busse und PKW parallel anbinden.
Einfache Parametrierung und Wartung dank weniger Schnittstellen
Die Ansteuerung der Ladestation und der einzelnen Konverter sowie Ladepunkte übernimmt eine zentrale Kommunikationseinheit, die sogenannte GCUplus. Mit deren Hilfe lässt sich die Parametrierung des gesamten Systems sehr einfach gestalten. Via Ethernet oder CAN steht die GCUplus ebenfalls in Verbindung mit dem Ladestationscontroller, der die Verbindung zum Fahrzeug (z.B. ISO 15118) sowie zum Lade- und Lastmanagement (OCPP) darstellt. Sowohl software- als auch hardwareseitig verfügt die Ladestation von M&P somit über sehr wenige Schnittstellen, wobei die einzelnen Komponenten unabhängig voneinander ein- und ausgebaut werden können. Dies ermöglicht einen schnellen Erstanschluss sowie eine unkomplizierte Wartung der unterschiedlichen Baugruppen. „Wir können die Ladeschränke fertig anliefern und installieren, arbeiten aber auch gerne mit Elektrotechnikern vor Ort zusammen“, so Peppel zum üblichen Projektablauf. „Im Rahmen der Inbetriebnahme schulen wir zudem den Anwender, damit er Parametrierungen und Wartungen an dem simplen Baukastensystem im Anschluss einfach selbst durchführen kann.“
Das bewährte, individuell anpassbare Ladesystem von M&P kommt aktuell beim Verbundprojekt GUW+ in Hannover zum Einsatz, das vom BMVI gefördert, von der NOW GmbH koordiniert und vom Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt wird. Gemeinsam mit den Projektpartnern entwickelt M&P ein städteübergreifend auslegbares Gesamtkonzept, das Ladestationen für E-Busse und PKW kosten- und energieeffizient an eine bereits bestehende Straßenbahninfrastruktur anbindet. Zum einen reduziert dies massiv den Aufwand, der für die Bereitstellung einer neuen Bus-Ladeinfrastruktur anfällt und zur Erfüllung der Clean Vehicles Directive erforderlich ist. Zum anderen nutzt das System zusätzlich Second-Life-Batterien als Zwischenspeicher, um das Netz zu entlasten, überschüssige Bremsenergie der Straßenbahnen einzuspeisen und Netzausfälle zu kompensieren. Die stationäre Nachnutzung ihrer Batterien senkt dabei die Lebenszykluskosten der E-Busse insgesamt, was den Ausbau der Elektromobilität im ÖPNV zusätzlich stärken soll. „Mit unseren eigens entwickelten DC/DC-Wandlern und der Ladetechnik als Beitrag zum Projekt GUW+ wollen wir eine konkrete Zukunftsperspektive für einen nachhaltigeren Nahverkehr schaffen“, resümiert Peppel.
Weiter Informationen: www.guwplus.de und www.powerelectronics.de