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MA – Notwendigkeit einer galvanischen Trennung in DC-Schnellladesystemen

Untersuchungen zur Notwendigkeit einer galvanischen Trennung in DC-Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge

Kurzzusammenfassung

Gegenstand der Betrachtungen ist ein Schnellladepark aus mehreren einzelnen Ladestationen, die über einen gemeinsamen DC-Bus versorgt werden. An diesen kann zusätzlich ein Energiespeicher zur Spitzenlastpufferung angekoppelt werden. Nach aktuellen normativen Vorgaben müssen sämtliche Ladestationen sowohl vom AC-Netz als auch untereinander galvanisch getrennt sein. Ersteres lässt sich erreichen, indem bereits der DC-Bus galvanisch vom AC-Netz isoliert wird und stellt kein größeres Problem dar. Ein galvanisch isolierender Gleichspannungswandler hat jedoch einige Nachteile gegenüber isolierenden Topologien. Somit gibt es Überlegungen, auf diese galvanische Trennung der Ladestationen untereinander zu verzichten. Daraus ergeben sich jedoch neue Anforderungen an das Sicherheitskonzept. Da sich im Fehlerfall die Y-Kondensatoren aller ladenden Fahrzeuge und Ladestationen entladen können, muss hierfür eine geeignete Maßnahme gefunden werden. Am vielversprechendsten scheint hierfür der Einsatz einer transformatorlosen Umrichtertopologie zu sein. Diese findet bereits in der Photovoltaik Einsatz und verhindert das Fließen von gefährlichen Ableitströmen. Eine weitere Herausforderung, die identifiziert wurde, ist die Entwicklung einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung für reine DC-Netze, da durch die galvanische Verbindung im Doppelfehlerfall auch im IT-Netz gefährliche Fehlerströme entstehen können. Mit der Entwicklung eines kombinierten Schutzgerätes aus eigener Fehlererkennung und hybrider Trenneinrichtung kann
dies jedoch gelöst werden.

Abstract

Subject of this thesis is a charging park consisting of several individual charging stations supplied by the same dc bus. The design could include an energy storage system for peak load buffering. According to actual normative guidelines the charging stations have to provide galvanic isolation to both the AC grid and to other charging stations. The former can be achieved by already galvanically separating the dc bus and does not pose a problem. Form the second, a galvanically isolating dc converter has a few disadvantages compared to galvanically not-isolating topologies. Therefore, an elimination of this galvanic seperation is considered. These considerations though result in new requirements according to safety that have to be met. In case of a failure, all Y-capacitors of the whole charging place can be discharged. Therefore suitable measures have to be found. The most promising approach seems to be the usage of transformerless inverters as used in photovoltaic systems. These inverters prevent the flow of dangerous leakage currents by their special topology. Another challenge to overcome is the developement of residual current devices for pure dc networks. Even if an IT-system is installed, there may occur dangerous fault currents due to the galvanic connection of the individual charging stations. This challenge could be overcome with the combination of a seperate detection device and a hybrid circuit breaker.

Bearbeiter: Sebastian Lau

Betreuer: Kilian Gosses (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761603; Email: Kilian.Gosses@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März