Die kommerziellen Elektrofahrzeuge revolutionieren: Megawatt-Ladung und ihre Auswirkungen

Während die Welt immer schneller auf eine nachhaltige Zukunft zusteuert, wird die Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen immer dringender. Diese technische Präsentation untersucht die steigende Nachfrage nach Megawatt-Ladelösungen in der Branche der elektrischen Nutzfahrzeuge, technische Herausforderungen, Kosteneffizienz sowie Leistungsvorteile.

Wir untersuchen die Kosten für das Megawatt-Laden an Bord von Nutzfahrzeugen. Diese technischen Voraussetzungen müssen berücksichtigt werden, wenn die gewünschte Leistung sowie Ladegeschwindigkeit des Fahrzeugs bewertet werden. In unserer Präsentation gehen wir auf diese wichtigen technologischen Anforderungen ein, darunter Hochkapazitätsbatterien, Systeme zum Schutz vor hohen Fehlerströmen sowie fortschrittliche Wärmanagementsysteme. Jedes dieser Elemente kann eine Einschränkung für die verfügbare Ladegeschwindigkeit des Fahrzeugs darstellen, doch ihre Bewältigung erfordert zusätzliche Kosten. Anhand einer Analyse der verfügbaren Zeit beim Einsatz von Nutzfahrzeugen in verschiedenen Geschäftsmodellen ermitteln wir die erforderlichen Ladegeschwindigkeiten, um dieses Geschäftsmodell zu elektrifizieren. Die Flexibilität bezüglich Zeit und Ort des Ladens wird zum wichtigsten Vorteil einer schnelleren Ladezeit. Wir stellen drei mögliche Geschäftsmodelle vor, die unterschiedliche Löslösungen erfordern werden:

Lokale Lieferung – Mit geringem Energieverbrauch und ausreichendem Stillstand kann diese mit einer relativ langsamen Ladeleistung von 150 kW elektrifiziert werden.

Mittellange Strecken – Mit mittlerem Energieverbrauch und mittlerem Stillstand kann diese mit den derzeit verfügbaren Ladegeschwindigkeiten von 350 kW elektrifiziert werden.

Lange Strecken – Aufgrund hoher Energieverbräuche und geringem Stillstand wird eine weit verbreitete Elektrifizierung erst möglich sein, wenn Ladeleistungen von 1 MW verfügbar sind.

Auch wenn alle Anwendungen mit Elektrofahrzeugen von der Flexibilität schnellerer Ladevorgänge profitieren könnten – tatsächlich könnten potenziell die meisten Anwendungen mit weit verbreiteten 1-MW-Ladegeräten elektrifiziert werden – ist es wichtig zu verstehen, dass nicht alle eine Ladeleistung in Megawatt benötigen. Viele Geschäftsmodelle können vollständig elektrisch betrieben werden und die Fahrzeugkosten durch den Einsatz langsamerer Ladegeschwindigkeiten senken.

Durch innovative Forschung und Entwicklung ist Eaton führend

an der Spitze bei der Entwicklung skalierbarer und effizienter Bordlade-Lösungen und kann Herstellern sowie Fuhrparks dabei helfen, die Abwägungen zwischen Kosten und Nutzen für die jeweilige Anwendung des Fahrzeugs zu verstehen.

Kosten schnelleres Laden

Zentral in dieser Diskussion ist das Konzept der Ladegeschwindigkeit, ein entscheidender Faktor, der die praktische Einführung und Nutzung von Elektrofahrzeugen beeinflusst. Die Ladegeschwindigkeit bestimmt die Betriebsdynamik und somit die Machbarkeit verschiedener Geschäftsmodelle beim Übergang zur Elektrifizierung. Während einige Anwendungen Elektrofahrzeuge nahtlos in ihre bestehenden Geschäftsstrukturen integrieren können, erfordern andere die Einführung neuer Technologien oder die Schaffung neuer Geschäftsmodelle, um die Vorteile der Elektrifizierung zu nutzen.

Die Behauptung, dass eine beschleunigte Ladezeit einer besseren Leistung entspricht, hat durchaus Berechtigung; dennoch ist eine umfassende Analyse der Einschränkungen, mit denen Fahrzeughersteller und Flottenbetreiber konfrontiert sind, unerlässlich. Dazu gehört die Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Auswirkungen der Elektrifizierung von Fahrzeugen, um sicherzustellen, dass der Wandel nicht nur technisch machbar ist, sondern auch langfristig im Marktumfeld nachhaltig bleibt.

Batteriezellen

Batteriezellen weisen, ähnlich wie die menschliche Präferenz für klimatisierte Umgebungen, eine optimale Leistung innerhalb bestimmter Temperaturparameter auf. Idealerweise arbeiten diese Zellen effizient in einem Temperaturbereich von 15 bis 35 Grad Celsius. Es ist bemerkenswert, dass sich der bevorzugte Betriebstemperaturbereich je nachdem unterscheiden kann, ob die Zellen sich

Der Prozess des Aufladens oder Entladens. Abbildung 1 zeigt das Verhältnis zwischen der Temperatur einer Batteriezelle und ihrer relativen Leistung. Der Leistungsbereich ist beim Entladen der Batterie größer als beim Aufladen.

Diese Analogie unterstreicht die Notwendigkeit von ausgefeilten Thermomanagementsystemen in Elektrofahrzeugen (EVs). Solche Systeme dienen dazu, die Batteriezellen in ihrer „Komfortzone“ zu halten und somit eine konstante Leistung zu gewährleisten. Zudem ermöglicht die Integration intelligenter Funktionen wie der Routenplanung es dem Fahrzeug, kommende Ladevorgänge vorauszuahnen und die Batterie im Voraus vorzubereiten. Dieser proaktive Ansatz fördert eine optimale Ladeeffizienz.

Der zweite Faktor, der die Fähigkeit einer Zelle beeinflussen kann, Energie aufzunehmen, ist ihr aktueller Ladezustand. Wenn man einen Vergleich zum Vorgang zieht, bei dem Personen in ein Kino gehen und sich einen Sitz suchen, lässt sich das Aufladen einer Akkupackung ähnlich verstehen. Wenn das „Kino“ – also die Akkupackung – leer ist, verläuft der Vorgang unkompliziert. Mit zunehmender Belegung wird es jedoch immer schwieriger, freie „Sitze“ – also Ladepunkte innerhalb der Zellen – zu finden. Abbildung 2 zeigt diese Beziehung grafisch dar. Wenn der Ladezustand der vollen Kapazität nahekommt, kann die Ladegeschwindigkeit so stark abnehmen, dass das Aufladen wirtschaftlich unattraktiv wird. Es ist für den Fahrer vorteilhafter, zu einem zweiten Ladeort zu fahren und dort bei einem niedrigeren Ladezustand aufzuladen, anstatt untätig zu warten und dabei langsamer voranzukommen.

Diese Beziehung zwischen Ladezustand und Leistungsfähigkeit kann auch die Fähigkeit des Fahrzeugs beeinflussen, den Antriebsmotor als sekundären Bremser zu nutzen. Daher muss ein Fahrzeug einen ausreichend großen Puffer im Akkupaket haben, um eine ausreichende Ladeleistung sowie genügend Speicherkapazität für das regenerative Bremsen zu gewährleisten. Ein ausgefeiltes Routenplanungstool sollte in der Lage sein, den Energieverbrauch sowie die erwartete Energierückgewinnung vorherzusagen, um die Effizienz zu optimieren.

Akkugröße und C-Wert

Ein entscheidender Aspekt der Akkuchemie ist das Verhältnis zwischen der maximalen theoretischen Ladegeschwindigkeit des Akkupakets und seiner Kapazität.

Die Entwicklung schnellerer Zellchemien ist möglich; doch sie führt oft zu höheren Kosten und einem Kompromiss hinsichtlich der Langlebigkeit. Der kommerzielle Markt für Elektrofahrzeuge zeigt eine Präferenz für die Lithium-Eisen-Phosphat-(LFP)-Chemie, die

einen Ausgleich zwischen Kosteneffizienz und Langlebigkeit schafft.

Jüngste Fortschritte in der LFP-Chemie haben die C-Zahl der Akkus von etwa 2 auf ein Spektrum zwischen 3 und 4 erhöht. Doch selbst bei einer C-Zahl von 3 würde ein Fahrzeug zur Erreichung einer Ladeleistung von 3,75 MW – dem oberen Limit des Mega Charging Standards (MCS) – eine Akkukapazität von nahezu 1000 kWh benötigen. Umgekehrt ließe sich mit einem Akku von 400 kWh eine Ladeleistung von 1 MW erzielen. Obwohl dies deutlich größer ist als die Akkus in Leichtfahrzeugen, bleibt diese Größe noch im überschaubaren Bereich.

Das hervorgehobene Beispiel zeigt, dass eine 3C-Batterie, die an einen Ladegerät mit einer Leistung von 1 Megawatt angeschlossen ist, bei einer Kapazität unter 350 kWh in ihrer Ladegeschwindigkeit eingeschränkt wird. Ab dieser Größe kann die maximale Leistung des Ladegeräts voll ausgenutzt werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass eine größere Batterie nicht nur die Reichweite des Fahrzeugs erhöht und durch regeneratives Bremsen eine größere Energierückgewinnung ermöglicht, sondern auch die Ladefähigkeit des Fahrzeugs beeinflusst. Dieser Kompromiss unterstreicht das komplexe Gleichgewicht zwischen der Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen und der Beibehaltung praktischer Nutzbarkeit.

Mögliche thermische Engpässe

Abbildung 4 zeigt die thermische Analyse der Breaktor®-Schutztechnologie von Eaton. Sie gibt Einblicke in diese Dynamiken und zeigt, dass die Technologie eine kontinuierliche Leistung von 350 A ermöglicht, aber deutlich höhere Ströme für begrenzte Zeitintervalle aufnehmen kann. Durch die Einbeziehung aktiver Kühlmechanismen lässt sich die Dauer verlängern, über die die Komponenten innerhalb sicherer thermischer Parameter arbeiten können. Es ist entscheidend, die individuellen Grenzen jeder Komponente zu erkennen und die thermischen Schwellenwerte auf systemweiter Ebene zu steuern, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die beste Methode, dies an Bord eines Fahrzeugs zu bewältigen, besteht darin, Temperatursensoren sowie Übertragungsfunktionen zu verwenden, um die Innentemperatur der Komponenten zu überwachen. Ein aktives Überwachungssystem ermöglicht es einem Fahrzeug, so lange wie möglich maximale Leistung zu erbringen, ohne die thermischen Grenzen zu überschreiten.

Stromverteilung

Die Konzeption von Hochspannungsanlagen umfasst nicht nur die Betriebsparameter, sondern auch die Schutzstrategien, die erforderlich sind, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und die Auswirkungen von Störungen zu minimieren. In Situationen, in denen mehrere Akkupakete verwendet werden, kann es notwendig sein, für jedes Paket nur einen Teil der Ladeströme zu steuern sowie es nur einem entsprechenden Anteil potenzieller Störbedingungen auszusetzen. Aus diesem Grund kann die Akku-Trennvorrichtung (BDU) jedes Pakets den Anforderungen einer Leichtfahrzeuganwendung entsprechen.

Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, stellt Breaktor 900 eine optimale Schutzlösung für einzelne Akkupacks dar. Es kann jeweils eine Ladestromstärke von 500 kW für begrenzte Zeit bewältigen und vor Fehlern mit bis zu 20 kA schützen, wodurch es den Anforderungen des jeweiligen Packs nach einer gleichmäßigen Verteilung der MCS-Leistung entspricht. Seine Leistungsfähigkeit erstreckt sich jedoch nicht auf die hohen Ströme, die am MCS-Anschluss auftreten.

An dem MCS-Anschluss muss das System vor vollständigen Systemfehlern durch den Lader oder mehrere Akkupacks gleichzeitig geschützt werden. Dabei kann eine Fehlstromstärke von bis zu 70 kA auftreten. Das Schutzmechanismus muss hier eine Strombegrenzung ermöglichen, um die Fahrzeugsysteme wirksam zu schützen. Genau hier werden Eatons EV-Schutzschalter für Lkw besonders relevant. Diese Schutzschalter können parallel geschaltet werden, um eine skalierbare Schutzstrategie zu schaffen, die das gesamte Stromspektrum des MCS abdeckt. Dennoch müssen diese Schutzschalter sorgfältig mit einem entsprechend dimensionierten Kontaktorpaar abgestimmt werden, um normale Schaltvorgänge zu ermöglichen und so ein robustes sowie zuverlässiges Hochvoltsystemdesign zu gewährleisten.

Ladungssitzung

Indem wir die einzelnen Elemente zusammenfassen, visualisieren wir nun eine tatsächliche Ladesession eines Elektrofahrzeugs. Die Berechnung der Ladedauer ergibt sich aus der Fläche unter der Kurve. Die meisten Ladesysteme sind strombegrenzt, was bedeutet, dass der Ladegerät eine maximale Stromstärke zur Verfügung steht. Wenn man diese mit der Systemspannung multipliziert, erhält man die maximale Spitzenladeleistung. Durch Erhöhung der Strombegrenzung – sei es am Ladegerät oder am Fahrzeug, beispielsweise durch thermische Abschirmungsstrategien oder die Verstärkung der Kontakte – kann die Spitzenladegeschwindigkeit gesteigert werden, wodurch die für eine vollständige Ladung benötigte Zeit verkürzt wird.

In den Szenarien mit Ladevorgängen von 1 MW und 500 kW hält das System die maximale Ladeleistung nur vorübergehend aufrecht, bevor thermische Engpässe oder inhärente Beschränkungen der Akkus auftreten, die eine Verringerung der Ladegeschwindigkeit erfordern. Im Gegensatz dazu kann eine Ladefunktion mit niedriger Leistung, die unter diesen Schwellenwerten arbeitet, über den größten Teil der Ladezeit die maximale Geschwindigkeit beibehalten. Alle drei Ladevorgänge liefern insgesamt 600 kWh, doch es dauert dabei erheblich unterschiedliche Zeiten.

Diese Ladeprofile sind von entscheidender Bedeutung, damit Hersteller von Originalausrüstungen (OEMs) sowie Flottenbetreiber sie verstehen können. Sie müssen die Ladefähigkeiten des Fahrzeugs mit seiner vorgesehenen Einsatzrolle in Einklang bringen. Diese Abstimmung ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Leistung des Fahrzeugs den Anforderungen seines vorgesehenen Einsatzszenarios entspricht. Im nächsten Schritt werden wir untersuchen, wie sich diese Überlegungen in praktische Anwendungen für OEMs und Flottenbetreiber übersetzen lassen.

Erwünschte Ladegeschwindigkeit

Um zu verstehen, wie schnell schnell genug ist, müssen wir zunächst eine Auswahl an Anwendungen im Bereich Nutzfahrzeuge betrachten. Unter Verwendung von Daten aus der NACFE Run on Less-Initiative sowie einer theoretischen Anwendung im Langstreckentransport werden wir den Energieverbrauch an einem Tag mit der verfügbaren Ladezeit des Fahrzeugs vergleichen.

Anwendung für lokale Lieferungen

Die erste Anwendung ist ein lokales Lieferfahrzeug aus den von Penske bereitgestellten NACFE-Daten. Bei dieser Anwendung fährt das Fahrzeug täglich in einer Schicht eine kurze lokale Lieferstrecke von etwa 200 Kilometern. Dadurch verbraucht das Fahrzeug nur rund 250 kWh und hat mehr als 15 Stunden Stillstandzeit im Depot, um wieder aufgeladen zu werden. Theoretisch könnte dies mit kommerziell verfügbarem Wechselstrom-Laden der Stufe II bewältigt werden, doch die Fahrzeuge müssten die ganze Zeit über angeschlossen bleiben, solange sie sich nicht bewegen. In der Praxis verwendet Penske Gleichstrom-Schnellladung mit 150 kW, die in der Lage ist, den LKW am Ende seiner Schicht in 2 Stunden wieder aufzuladen, bevor er an einen regulären Parkplatz im Depot gebracht werden kann. Dadurch wird die für den Umgang mit mehreren Fahrzeugen benötigte Infrastruktur konzentriert und ihre Betriebsflexibilität gewahrt. Tabelle 2 und Abbildung 7 zeigen diese Anwendung.

Regionale Lieferdienst-Anwendung

Das zweite Beispiel, das untersucht werden soll, stammt ebenfalls vom Run on Less Electric Depot. Hier setzt Pepsi eine Flotte von Tesla-Sattelschleppern auf einer regionalen Lieferstrecke ein. Das Fahrzeug legt innerhalb von 24 Stunden über zwei Fahrtschichten bis zu 965 Kilometer zurück. Dadurch bleibt am Ende jeder Schicht nur ein begrenzter Zeitraum von 3 Stunden, um wieder Energie aufzuladen. Mit einer ähnlichen Methode zur Betrachtung aller verfügbaren Zeiten könnte dies theoretisch mit einer Ladeleistung von 250 kW gemanagt werden, doch auch das würde eine maximale Ladung zu jedem Zeitpunkt erfordern, in dem das Fahrzeug nicht in Bewegung ist.

In der Praxis verwendet Pepsi eine Ladeleistung von 600 kW, um die Lastwagen wieder aufzuladen

durch zwei zweistündige Ladevorgänge, was mehr Flexibilität und eine längere Betriebszeit ermöglicht. Tabelle 3 und Abbildung 8 zeigen diese Anwendung.

Langstreckenanwendung

Das letzte Szenario, das besprochen werden soll, ist ein theoretisches Beispiel für einen Schlaffahrerwagen für Langstreckenfahrten. Dies gilt oft als eine der schwierigsten Anwendungen zur Elektrifizierung, da sie derzeit von einem verstreuten Netzwerk an Tankstellen abhängt und nicht von einer vom Fuhrpark oder Betreiber betriebenen zentralen Anlage.

Gesetzlich müssen LKW-Fahrer in den meisten Ländern zu bestimmten Intervallen Rast einlegen. In einem idealen Fall wären die 10-stündige Ruhezeit sowie alle regulären Pausen tagsüber zur Aufladung des Fahrzeugs nutzbar, wodurch ein Betreiber täglich 965 Kilometer zurücklegen könnte und nur eine Ladeleistung von 150 kW benötigen würde. Aufgrund der verstreuten Lage der Ladestellen wird es jedoch wahrscheinlich unmöglich sein, jedes Mal, wenn der LKW stillsteht, einen Ladestromanschluss zu finden.

Deshalb müssen wir davon ausgehen, dass der LKW im Laufe des Tages nur eine begrenzte Anzahl von Malen eine Ladestation finden kann und während seiner Übernachtungspause nicht lädt, wodurch die verfügbare Ladezeit auf etwa 3 Stunden pro Tag sinkt. Dies entspricht besser dem heutigen Geschäftsmodell mit Raststätten und Diesel-Tankstellen. Um mit dieser verfügbaren Zeit die erforderliche Reichweite zu erreichen, wäre theoretisch eine Durchschnittsladestärke von 666 kW notwendig. Unter Berücksichtigung all dessen, was wir über die Ladebeschränkungen sowie die Flexibilität bei der Ladung gelernt haben, ist ein Lader mit einer Leistung von 1 MW oder mehr erforderlich. Tabelle 4 und Abbildung 9 zeigen dieses theoretische Szenario dar.

Dies bedeutet nicht, dass Megawatt-Ladungen alle Probleme bei der Elektrifizierung des Langstreckentransports lösen – die Verfügbarkeit von Ladern sowie die Anbindung an das Stromnetz werden weiterhin Herausforderungen darstellen. Doch diese Analyse zeigt, dass eine weit verbreitete Verfügbarkeit von 1-MW-Ladern es ermöglichen könnte, selbst die schwierigsten Anwendungsfälle zu elektrifizieren.

Wie schnell ist schnell genug?

Zum Schluss fassen wir das Ganze zusammen. Jede Anwendung verbraucht unterschiedliche Mengen an Energie im Laufe des Tages, abhängig von der verfügbaren Ladezeit. Abbildung 10 zeigt dies grafisch, wobei abgedeckte Bereiche die drei untersuchten Anwendungen darstellen. Durch das Darstellen der Kurven verschiedener Spitzenladegeschwindigkeiten können wir einen Schwellenwert ermitteln, unterhalb dessen eine Anwendung praktisch mit einem bestimmten Lader unterstützt werden kann.

Durch Einbeziehung der drei untersuchten Beispiele in dieses Diagramm wird deutlich, wie jedes davon durch ein eigenständiges Lade Netzwerk abgedeckt werden könnte. Es zeigt außerdem, dass die überwiegende Anzahl der Anwendungen durch die weit verbreitete 1-MW-Ladeinfrastruktur angemessen bedient werden kann.

Obwohl der MCS-Standard Ladekapazitäten

bis zu 3,75 MW zulässt, ist zu beachten, dass die damit verbundenen Kosten für solche Hochleistungs-Ladungen tendenziell exponentiell ansteigen. Daher wird die wirtschaftliche Rechtfertigung für solche Hochleistungs-Ladungen voraussichtlich auf Nischenanwendungen beschränkt bleiben. Dieser Ansatz gewährleistet ein Gleichgewicht zwischen Betriebseffizienz und Kosteneffektivität.

Fazit

Jede Anwendung im Bereich Nutzfahrzeuge ist einzigartig und erfordert eine individuelle Beurteilung ihrer Energieanforderungen sowie der wirtschaftlichen Überlegungen für die Elektrifizierung. Das Verständnis der Grenzen und Kosten einer Erhöhung der Ladeleistung ermöglicht es Fuhrparkbetreibern und Herstellern,

die Kosten mit den Vorteilen der Flexibilität durch schnellere Ladevorgänge abzuwägen. Es gibt keine universelle Lösung. Viele Anwendungen können bereits mit der heutigen Ladetechnologie angemessen bedient werden, und das Aufkommen weit verbreiteter Megawatt-Ladestationen sollte den Weg zur Elektrifizierung für die meisten heutigen Nutzfahrzeuganwendungen ebnen.

Über Eaton: Eaton ist seit langem ein führender Anbieter im Bereich Nutzfahrzeuge. Da unser Produktportfolio im Zuge der Elektrifizierung wächst, ist Eaton der ideale Partner für OEM-Kunden, um diese Kosten-Nutzen-Beziehung zu verstehen. Unsere Expertise in der Leistungsverteilung und -schutz kann OEMs dabei helfen, kosteneffiziente Hochspannungsarchitekturen zu entwickeln, die den Anforderungen ihrer Kunden entsprechen.

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