Validierung eines Megawatt-Ladesystems für Schwerlast-Lkw

Wichtigste Erkenntnisse

• Das Megawatt-Laden ist in erster Linie ein Steuerungsproblem, da die Kabelkühlung, die gemeinsame Nutzung von Leistungsmodulen und die Netzgrenzen alle innerhalb eines einzigen Ladevorgangs für einen Lkw zusammenwirken.
• Die Größe des Netzanschlusses richtet sich nach den gebündelten Lkw-Ankünften, daher müssen Speicherkapazitäten und die Stromverteilung ebenso sorgfältig geprüft werden wie die Ladestation selbst.
• Der Regler und das Leistungs hardware-in-the-loop- Tests -System decken Fehlerverhalten bereits vor der Inbetriebnahme auf, wenn eine Fehlerbehebung eine Modelländerung statt eines Steckers erfordert.

Die Validierung eines Megawatt-Ladesystems gilt als erfolgreich, wenn die Steuerung des Ladegeräts unter realistischen Lkw- und Netzbedingungen getestet wurde, bevor der Standort ans Netz geht.

Der Absatz von Elektro-Lkw überschritt im Jahr 2024 weltweit die Marke von 90.000 Einheiten, nachdem er innerhalb eines Jahres um fast 80 % gestiegen war, und Fernverkehrsflotten müssen diese Lkw während der Pausen der Fahrer aufladen. Diese Anforderung führt dazu, dass eine einzelne Ladestation eine Leistung von 1 MW überschreitet, wodurch Kabelbeheizung, Kühlmitteldurchfluss und Zuleitungskapazität gleichzeitig zu Auslegungsgrenzen werden. Wie diese Grenzen an einem fertiggestellten Standort zusammenwirken, lässt sich nicht in der Praxis ermitteln, da jeder Fehler dort einen Transformatorausfall oder einen beschädigten Stecker zur Folge hat.

Der fundiertere Ansatz betrachtet das Laden im Megawattbereich in erster Linie als Steuerungsproblem. Leistungsstufen, Kühlkreisläufe und Netzschnittstellen verhalten sich vorhersehbar, sobald ihre Steuerungen anhand von Hunderten von Ladevorgängen, schwachen Zuleitungen und Fehlerfällen getestet wurden. Echtzeitsimulationen und „ hardware-in-the-Loop“- Tests en ermöglichen Ihnen diese Einblicke bereits Monate vor Abschluss der Bauarbeiten. Teams, die frühzeitig Validierungen durchführen, gehen mit bereits geklärten Fragen in die Inbetriebnahme.

Was das Megawatt-Ladesystem leisten soll

Das Megawatt-Ladesystem, üblicherweise als MCS abgekürzt, ist ein Gleichstrom-Ladestandard für Schwerlast-Lkw, Busse und andere große Batteriefahrzeuge. Es umfasst einen einzigen Stecker, ein flüssigkeitsgekühltes Kabel und eine Kommunikationsverbindung, die so ausgelegt ist, dass während eines kurzen Stopps mehrere Megawatt in einen Akku eingespeist werden können.

Nehmen wir einen Fernverkehrs-Sattelzug vor, der während eines 30-minütigen Raststopps 400 kWh nachladen muss. Das entspricht einer durchschnittlichen Leistung von 800 kW über den gesamten Zeitraum, wobei die Spitzenleistung höher ausfällt, da die Ladeleistung mit zunehmender Füllung des Akkus abnimmt. Ein für 350 kW ausgelegtes Ladegerät für Personenkraftwagen würde für denselben Ladevorgang mehr als eine Stunde benötigen. Der Lkw würde dadurch einen Liefertermin verpassen.

Das Auslegungsziel ist ein Zeitbudget, das sich aus den Vorschriften zur Lenkzeit und den Frachtfahrplänen ergibt. Alle weiteren Vorgaben der Norm leiten sich aus diesem Budget ab, einschließlich der höheren Spannungsgrenze und der größeren Einlassöffnung.

So funktioniert das MCS-Laden – vom Netzanschluss bis zum Ladeanschluss des Lkw

Beim MCS-Ladeverfahren wird Mittelspannungsstrom aus dem Netz in geregelten Gleichstrom umgewandelt und anschließend über ein flüssigkeitsgekühltes Kabel zugeführt, während das Ladegerät und der Lkw mehrmals pro Sekunde Daten austauschen. Das Batteriemanagementsystem des Lkws fordert Strom an, und das Ladegerät kommt dieser Anforderung im Rahmen seiner eigenen thermischen und elektrischen Grenzwerte nach.

An einer typischen Tankstelle wird die Mittelspannung über einen Transformator heruntertransformiert, in einem zentralen Schaltschrank gleichgerichtet und an isolierte Gleichstromwandler weitergeleitet, die die einzelnen Zapfsäulen versorgen. Sobald der Stecker eingerastet ist, führen beide Seiten Isolationsprüfungen durch, laden das Kabel auf die entsprechende Akkuspannung vor und steigern den Strom schrittweise. Die Temperatur Sensor-und Datenfusion en der Kontakte werden kontinuierlich gemeldet, sodass das Ladegerät die Stromzufuhr unterbricht, sobald sich ein Kontaktstift überhitzt. Jeder Schritt ist ein Kontroll-Handshake mit zeitlichen Begrenzungen, die erst dann als Fehler gemeldet werden, wenn eine vorgelagerte Komponente langsam reagiert.

MCS im Vergleich zu CCS bei Schwerlastfahrzeugen

Der Hauptunterschied zwischen MCS und CCS liegt in der Stromstärke, die jeder Stecker übertragen kann. CCS, das bei Personenkraftwagen verwendete kombinierte Ladesystem, erreicht mit flüssigkeitsgekühlten Kabeln eine maximale Leistung von einigen hundert Kilowatt, während MCS durch größere Kontakte und einen höheren Spannungsbereich für mehrere Megawatt ausgelegt ist.

Ein Forschungskonsortium, das sich mit dem Laden von Lkw befasst, hat kürzlich einen Ladestrom von 3.000 Ampere demonstriert – die Obergrenze des Standards, der zudem bis zu 1.250 Volt zulässt. Multipliziert man diese Grenzwerte, ergibt sich eine Leistung von 3,75 MW, was etwa dem Zehnfachen der Leistung eines Hochleistungs-Autoladegeräts entspricht.

Der Strom ist das Problem. Die Widerstandserwärmung in einem Leiter steigt mit dem Quadrat des Stroms, sodass ein Kabel, durch das 3.000 Ampere fließen, 36-mal so viel Wärme erzeugt wie dasselbe Kabel bei 500 Ampere. Aus diesem Grund werden der Kühlmittelfluss, die Kontakttemperatur und die Leistungsreduzierungslogik von sekundären Regelkreisen Funktionen in primäre Regelkreise verlagert.

Lkw mit CCS-Anschlüssen werden über Nacht weiterhin die Ladestationen im Depot nutzen. MCS macht seine Kosten auf Streckenabschnitten wett, auf denen die Haltezeit kurz sein muss.

Welche Leistung in Megawatt wird in den Leistungsstufen des Ladegeräts umgewandelt?

Durch die Leistung im Megawattbereich wird das Ladegerät von einem einzelnen Umrichter zu einer aufeinander abgestimmten Gruppe von Leistungsmodulen. Dutzende von Umrichtermodulen teilen sich den Strom auf einem gemeinsamen Gleichstrombus, und ihre Steuerungen müssen die Last ausgleichen, die Welligkeit begrenzen und Netzstörungen überstehen, ohne dabei den Ladevorgang zu unterbrechen, auf den ein Lkw-Fahrer wartet.

Stellen Sie sich einen 1,2-MW-Ladepunkt vor, der aus 20 Modulen mit einer Nennleistung von jeweils 60 kW besteht. Wenn ein Modul während des Ladevorgangs ausfällt, müssen die verbleibenden 19 Module seinen Anteil innerhalb von Millisekunden übernehmen, da der Lkw sonst einen Stromsprung registriert und den Vorgang abbricht.

Siliziumkarbid-Schalter, Mittelspannungs-Frontends und Halbleitertransformatoren kommen in Megawatt-Anlagen zum Einsatz, da sie die Größe der magnetischen Bauteile reduzieren und Verluste senken. Zudem erhöhen sie die Schaltgeschwindigkeiten, wodurch sich die Zeit verkürzt, die einem Regler zur Fehlererkennung zur Verfügung steht. Man tauscht Kupfer und Stahl gegen Regelbandbreite ein. Dieser Tausch zahlt sich nur dann aus, wenn die Firmware bis an ihre Grenzen getestet wurde.

„Du tauschst Kupfer und Stahl gegen Steuerbandbreite ein.“

Warum die Einsatzzyklen von Lkw die Größe des Netzanschlusses bestimmen

Die Einsatzzyklen der Lkw bestimmen die Größe des Netzanschlusses, da Megawatt-Lastspitzen gebündelt auftreten. Aufgrund der Frachtpläne fahren mehrere Lkw innerhalb derselben Stunde zum selben Standort, und die Zuleitung muss die Überschneidung dieser Lastspitzen abdecken, die weit über der durchschnittlichen Last des Standorts liegt.

Nehmen wir einen Standort in einem Korridor mit sechs Verteilern an, die jeweils eine Nennleistung von 1 MW haben. Hinter einer durchschnittlichen Tageslast von 1,5 MW verbirgt sich ein Schichtwechsel, bei dem 20 Minuten lang fast 6 MW benötigt werden. Wird der Transformator für den Durchschnittswert ausgelegt, werden die Lkw unterversorgt; wird er hingegen für den Spitzenwert ausgelegt, bleibt teure Kapazität den größten Teil des Tages ungenutzt.

Batteriespeicher und die Lastverteilung zwischen den Zapfsäulen schließen diese Lücke. Eine Pufferbatterie lädt sich zwischen den Ankunftszeiten langsam auf und entlädt sich während des Spitzenaufkommens, wodurch ein Anschluss mit geringerer Nennleistung möglich ist. Der Standortcontroller wird dadurch zu einem kleinen „microgrid “-Controller, was wiederum eigene Stabilitätsfragen aufwirft.

Schwache ländliche Zuleitungen führen zu Spannungseinbrüchen und Flicker. Die Energieversorger verlangen Studien, aus denen hervorgeht, wie sich die Anlage bei Störungen und schnellen Lastsprüngen verhält, bevor sie einen Netzanschluss genehmigen.

Wie Megawatt-Ladegeräte vor der Inbetriebnahme eines Standorts getestet werden

Megawatt-Ladegeräte werden in mehreren Stufen getestet, die mit einer Simulation beginnen und mit einem Vollleistungs hardware us enden. Die Steuerung hardware-in-the-loop Tests verbindet die reale Ladegerätesteuerung mit einer simulierten Leistungsstufe, einer LKW-Batterie und dem Stromnetz, sodass Ingenieur:innen Tausende von Testläufen und Fehlerfällen durchführen kann, ohne dass Megawatt-Geräte vorhanden sein müssen.

Ein Echtzeit-Simulator berechnet die Netzzuleitung, die Umrichtermodule und das Batteriepack-Modell so schnell, dass der Regler keinen Unterschied zur Anlage feststellen kann. Die Echtzeit-Netz- und Batteriemodelle von OPAL-RT werden auf diese Weise genutzt, um die Steuerung von MCS-Ladegeräten unter realistischen Lkw- und Netzbedingungen zu untersuchen, ohne zuvor eine Megawatt-Testanlage errichten zu müssen. Bei der „Power- hardware-in-the-Loop“-Methode wird dann ein Verstärker hinzugefügt, sodass ein echtes Leistungsmodul Energie mit der simulierten Zuleitung austauscht. Ein sinnvoller Testplan deckt die folgenden Fälle ab.

• Zeitüberschreitungen bei der Kommunikation und fehlerhafte Nachrichten zwischen Lkw und Ladestation
• Ausfall eines Leistungsmoduls während einer Vollstrombetriebsphase
• Ausfall der Kühlmittelpumpe und Leistungsreduzierung aufgrund von Übertemperatur an den Kontakten
• Netzspannungsabfälle, Frequenzschwankungen und Leitungsfehler
• Mehrere Lkw kommen gleichzeitig an, deren Pufferbatterie fast leer ist

Was eine frühzeitige Validierung für ein Megawatt-Ladeprogramm bedeutet

„Eine frühzeitige Validierung bedeutet, dass der erste Lkw, der an Ihrem Standort an die Ladestation angeschlossen wird, bereits die tausendste Sitzung ist, die Ihre Steuerungssysteme bisher verzeichnet haben.“

Megawatt-Ladeprogramme, die ihr Regelverhalten in der Simulation unter Beweis stellen, nutzen die Inbetriebnahmezeit dazu, die Ergebnisse zu bestätigen, während Programme, die diesen Schritt überspringen, diese Zeit damit verbringen, Probleme bei Volllast aufzuspüren.

Die physikalischen Grundlagen des Megawatt-Ladevorgangs sind gut bekannt. Was einen reibungslos funktionierenden Standort von einem problematischen unterscheidet, ist die Frage, wie viele schwierige Bedingungen das Team im Vorfeld durchgespielt hat – von einem Kältepaket an einer schwachen Zuleitung bis hin zur Leistungsminderung eines Kabels bei sommerlicher Hitze. Geduld und wiederholtes „ Tests “ tragen mehr zur Verfügbarkeit bei als jede einzelne Entscheidung bezüglich der „ hardware “. Außerdem ist es weitaus kostengünstiger, einen simulierten Fehler zu wiederholen, als einen Stecker auszutauschen.

OPAL-RT unterstützt diese Vorbereitung durch Echtzeitsimulationen, bei denen die Steuerung der Ladegeräte schon lange vor dem Betonieren auf realistische Lkw und Stromnetze angewendet wird. Beginnen Sie mit den Steuerungsszenarien, die Ihnen am meisten Sorgen bereiten, modellieren Sie diese realitätsnah und lassen Sie die Ergebnisse in die Gestaltung der Anlage einfließen. Die Fahrer werden von all dieser Arbeit nichts mitbekommen. Sie werden lediglich ein Ladegerät sehen, das auf Anhieb funktioniert.