Klimakammerprüfung einer 320-kW-DC-Schnellladestation
Hochleistungs-DC-Ladestationen müssen auch unter extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Um das thermische Verhalten und die Strategien zum Leistungsderating bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu validieren, unterzog KEBA seinen (zum Zeitpunkt des Artikels) leistungsstärksten DC-Schnelllader umfassenden Prüfungen in einer Klimakammer. Die Tests wurden am AIT (Austrian Institute of Technology) mit kontrollierten Lastszenarien sowie der hochpräzisen Leistungsmessung und Leistungsanalyse von Dewesoft durchgeführt.
Einleitung
Um das Verhalten von Hochleistungs-DC-Ladestationen bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu überprüfen, wie sie beispielsweise in südlichen Breitengraden auftreten, führten die Ingenieure von KEBA Lastprüfungen in Klimakammern eines akkreditierten österreichischen Prüfinstituts durch.
KEBA ist auf innovative AC- und DC-Ladelösungen für Elektrofahrzeuge spezialisiert. Bei der Entwicklung stehen skalierbare, robuste und benutzerfreundliche Konstruktionen im Mittelpunkt. Ziel ist es, die Elektromobilität im privaten, industriellen, gewerblichen und öffentlichen Umfeld mit robusten, zukunftssicheren Ladelösungen zu beschleunigen und damit zu einer nachhaltigen Mobilitätswende beizutragen.
Warum DC-Schnellladestationen Klimakammerprüfungen benötigen
Extreme klimatische Bedingungen wirken sich unmittelbar auf Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Ladestationen für Elektrofahrzeuge aus.
Auswirkungen hoher Temperaturen
Hohe Temperaturen können ein Leistungsderating auslösen, die Alterung von Komponenten beschleunigen, Stecker und Kabel überhitzen, Displays beeinträchtigen und die Herausforderungen bei der Netzinteraktion erhöhen.
Auswirkungen niedriger Temperaturen
Ebenso können niedrige Temperaturen die Ladeleistung begrenzen, Kabel und Steckverbinder versteifen sich, das Risiko von Kondensation und Vereisung erhöht sich und die Verfügbarkeit der Ladestation kann sich reduzieren.
Thermische Belastung durch Temperaturwechsel
Kurz gesagt: Extreme Klimabedingungen beeinträchtigen nicht nur den Komfort, sondern bestimmen unmittelbar Ladegeschwindigkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit und Gesamtbetriebskosten (TCO, total cost of ownership). Damit Ladestationen zuverlässig bleiben, benötigen sie ein robustes Thermomanagement, ein schrittweises Leistungsderating, eine umfassende Temperaturüberwachung und Klimakammerprüfungen, die einen sicheren und normenkonformen Betrieb unter allen Umgebungsbedingungen gewährleisten.
AIT SmartEST-Prüflabor mit Klimakammer
Das Austrian Institute of Technology (AIT), Österreichs größte außeruniversitäre Forschungs- und Technologieorganisation, betreibt angewandte Forschung und entwickelt technologische Lösungen in den Bereichen Digitalisierung, Nachhaltigkeit, Sicherheit, Energie und Mobilität. Das Institut nutzt zahlreiche Labore, um Technologien für Kunden zu entwickeln, zu erforschen und zu prüfen.
Technologien für elektrische Netze bilden einen zentralen Schwerpunkt des AIT SmartEST Labor zählt zu den modernsten Forschungs- und Prüfeinrichtungen für intelligente Energiesysteme und Smart Grids. Prüfungen zu Wechselwirkungen zwischen Stromnetz und Energiesystemen sind hier bis zu 1 MVA und 1 MW möglich.
Photovoltaik-Wechselrichter, Batteriespeichersysteme und Ladestationen für Elektrofahrzeuge werden hier in unterschiedlichen Entwicklungsphasen unter kontrollierten Umgebungsbedingungen und Netzszenarien geprüft. Das SmartEST-Labor bietet Herstellern ideale Voraussetzungen, um ihre Geräte bis zur Serienreife zu entwickeln und die Einhaltung geltender Normen und Vorschriften nachzuweisen.
KEBA arbeitet seit mehreren Jahren erfolgreich mit dem AIT Test Center zusammen. In seiner Funktion als Director R&D eMobility ist Dietmar Zöttl für alle produktbezogenen Zertifizierungen im DC-Bereich verantwortlich. Dazu gehören umfassende Klimasimulationen, mit denen die Betriebsleistung über einen großen Temperaturbereich validiert wird. Diese anspruchsvollen Prüfungen stellen sicher, dass KEBA-Produkte auch unter extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren – vom europäischen Klima bis zu den Bedingungen in der arabischen Region.
Vorschriften und Prüfnormen für Ladestationen
Für Ladestationen, die in der EU in Verkehr gebracht werden, sind unter anderem die folgenden übergeordneten Richtlinien für die Prüfung relevant.
EU directives
Richtlinie 2014/35/EU, die Niederspannungsrichtlinie (LVD) für die elektrische Sicherheit
Richtlinie 2014/30/EU, die Richtlinie über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Richtlinie 2011/65/EU zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe (RoHS)
Gesetzliches Messwesen und Energieabrechnung
Für die energiemengenbasierte Abrechnung ist insbesondere die Messgeräterichtlinie (MID) 2014/32/EU relevant, da sie den Einsatz integrierter Energiezähler für Abrechnungszwecke regelt. Die MID vereinfacht das Verfahren: Anstelle einer individuellen behördlichen Ersteichung jedes Produkts genügt die Konformitätserklärung des Herstellers.
In Österreich und Deutschland gelten jedoch strengere Vorgaben des Mess- und Eichrechts. Bei der energiemengenbasierten Abrechnung pro kWh an öffentlich zugänglichen Ladepunkten muss jeder installierte Energiezähler amtlich geeicht und bei den Eichbehörden registriert sein. Seit der Durchsetzung dieser Vorschriften ist eine zeitbasierte Abrechnung in Deutschland nicht mehr zulässig, während Österreich weiterhin eine Übergangsregelung vorsieht.
Eine Nacheichung ist grundsätzlich nach zehn Jahren erforderlich. In der Praxis kann sie jedoch früher notwendig werden, wenn Sicherungs- oder Eichsiegel verletzt werden, beispielsweise beim Austausch von Ladekabeln oder Displays.
In Österreich gibt es noch zu wenige Eichstellen, um diese Anforderungen vollständig umzusetzen. Daher besteht derzeit ein gemischter Übergangsbetrieb. Die eichrechtliche Vorschrift für elektrische Ladetarifgeräte regelt die Abrechnung von Ladevorgängen an Ladestationen.
Seit dem 1. Juni 2023 gelten neue Bestimmungen, und seit dem 1. Januar 2026 erlauben die österreichischen Behörden nur noch den Einsatz mess- und eichrechtskonformer Ladestationen. Verfügt eine bestehende Ladestation allerdings noch nicht über einen geeichten Zähler, ist weiterhin eine zeitbasierte Abrechnung zulässig, die in der Regel jedoch teurer ist.
DC-Laden, also Schnellladen mit höheren Ladeleistungen, ist dabei teurer als AC-Laden. Damit Fahrzeuge nach Abschluss des Ladevorgangs nicht zu lange mit der Ladestation verbunden bleiben und der Ladepunkt möglichst schnell wieder anderen Nutzern zur Verfügung steht, wird nach dem Ladevorgang oder nach Ablauf eines festgelegten Zeitraums eine zusätzliche Blockiergebühr erhoben.
Für die Prüfung der Sicherheit und Konformität von Ladestationen gelten mehrere internationale Normen und nationale Richtlinien.
Anforderungen der IEC 61851
Die IEC 61851 ist die zentrale internationale Norm für DC-Ladestationen. Teil 21 der Norm behandelt klassische EMV-Aspekte einschließlich Störaussendung und Störfestigkeit.
Teil 1 (Allgemeine Anforderungen) definiert den übergeordneten Rahmen für das konduktive Laden von Elektrofahrzeugen. Dazu gehören Sicherheitsanforderungen, die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladeeinrichtung sowie die Ladebetriebsarten Mode 1 bis 4. Der Teil legt elektrische, mechanische und funktionale Anforderungen für ein sicheres Laden im Normalbetrieb und im Fehlerfall fest. Behandelt werden unter anderem der Schutz gegen elektrischen Schlag, die Control-Pilot-Signalisierung und die Interoperabilität des Systems.
Teil 23 definiert Anforderungen an die Isolierung, Schutzmaßnahmen und das sichere Abschaltverhalten bei Erdschlüssen, Isolationsfehlern, Kommunikationsunterbrechungen, Über- und Unterspannung sowie Überstrom. Außerdem enthält er Anforderungen an das Thermomanagement, das aktive Leistungsderating und die sichere Abschaltung bei Übertemperatur.
Teil 24 definiert die Anforderungen an die digitale Kommunikation zwischen einer DC-Ladestation und dem Elektrofahrzeug zur Steuerung des DC-Ladevorgangs. Ergänzend gelten DIN SPEC 70121:2014 als ältere Spezifikation und DIN EN ISO 15118 als aktueller Standard. Das Fahrzeug gibt die Ladeleistung vor; die Ladestation kann den Vorgang nicht „erzwingen“. Die Kommunikation über den Control-Pilot-Kontakt nutzt Powerline-Kommunikation: Nach dem Einstecken liegen zunächst 12 V an, anschließend sinkt die Spannung auf 9 V, gefolgt von einem PWM-Signal mit einem Tastgrad von 5 %.
Kommunikation nach ISO 15118
Teil 2 definiert das High-Level-Kommunikationsprotokoll zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen und ermöglicht erweiterte Funktionen wie Plug-&-Charge-Authentifizierung und intelligentes Laden. Festgelegt werden Nachrichtenstrukturen, Kommunikationsabläufe und der Datenaustausch für Funktionen wie Ladesteuerung, Zahlungsabwicklung und bidirektionale Energieübertragung (Vehicle-to-Grid, V2G).
Teil 20 definiert den Kommunikationsrahmen der nächsten Generation für Elektrofahrzeuge und Ladeinfrastruktur. Er erweitert frühere Versionen um Funktionen wie bidirektionale Energieübertragung (V2G), die Unterstützung des kabellosen Ladens und verbesserte Cybersicherheit. Der Teil führt aktualisierte Nachrichtensätze, flexible Energieübertragungsmodi und weiterentwickelte Regelmechanismen ein, um effiziente, interoperable und zukunftssichere Smart-Charging-Ökosysteme zu ermöglichen.
Power quality and grid requirements
EN 61000-3-2, -3-11, und -3-12 regeln Netzrückwirkungen wie Oberschwingungen, Flicker und Spannungsunsymmetrie.
In Österreich ergänzen nationale Vorgaben zu Netzrückwirkungen sowie Richtlinien für standardisierte Prüfungen die EN 61000:
Die Technischen und organisatorischen Regeln (TOR) sind verbindliche, mehrteilige Regelwerke von E-Control und Austrian Power Grid (APG). Sie gewährleisten einen sicheren, zuverlässigen und standardisierten Betrieb von Übertragungs- und Verteilernetzen. Die Regeln gelten für alle Netzbenutzer, darunter Ladeinfrastruktur, industrielle Stromrichter, PV-Wechselrichter, Batteriespeichersysteme und Großverbraucher.
Die OVE-Richtlinie R 37, herausgegeben vom Österreichischen Verband für Elektrotechnik (OVE), legt ein standardisiertes Prüf- und Bewertungsverfahren für akkreditierte Prüfeinrichtungen wie das AIT SmartEST-Labor fest. Qualifizierte Prüfberichte des AIT ermöglichen Netzbetreibern den Nachweis, dass Ladestationen für Elektrofahrzeuge die Anforderungen der TOR erfüllen.with the TOR requirements.
Anforderungen an DC-Steckvorrichtungen
DC-Stecker, Fahrzeugkupplungen und -steckdosen sind in IEC 62196-3 festgelegt. Eine mechanische Kodierung verhindert falsches Zusammenstecken; für Hochvoltsysteme gelten Anforderungen an Isolationsfestigkeit sowie Kriech- und Luftstrecken. Eine integrierte Temperaturüberwachung in DC-Steckverbindern erhöht die Sicherheit zusätzlich. Umweltprüfungen umfassen Steckzyklen, Temperaturwechsel, Vibrationen und mechanische Belastungen.
KEBA KeContact DCA10 – der 320-kW-DC-Schnelllader im Test
Die KEBA KeContact DCA10 ist eine autonome, vollständig integrierte DC-Ladestation mit zwei Ladepunkten. Mit ihrer Nennleistung von 320 kW kann sie entweder ein einzelnes Fahrzeug mit 320 kW oder zwei Fahrzeuge gleichzeitig mit jeweils 160 kW laden. Wird beim ersten Fahrzeug Leistung frei, überträgt die Ladestation diese automatisch auf das zweite Fahrzeug. Da keine Kabelkühlung erforderlich ist, bleiben Betriebs- und Wartungskosten niedrig.
Für die Benutzerinteraktion ist ein 15,6-Zoll-Display integriert, das auch Werbung anzeigen kann. Unterstützte Zahlungsmethoden sind RFID, Debitkarten und mobile Zahlungen.
Prüfaufbau in der Klimakammer und Messtechnik
Gleichzeitige Messung von AC-Eingang und DC-Ausgang
Um eine belastbare Aussage über das Verhalten der geprüften Ladestation treffen zu können, müssen Messungen gleichzeitig am dreiphasigen AC-Eingang und am DC-Ausgang erfolgen.
Bei diesen hohen Spannungen von 800 V muss das Messsystem vollständig galvanisch getrennt sein. Zudem müssen sowohl die Spannungseingänge als auch die eingesetzten Stromsensoren eine hohe Bandbreite bieten.
Hochspannungs- und Strommessung
Um maximale Messgenauigkeit zu erreichen, wurden Nullfluss-Stromwandler eingesetzt.
Da diese aktiv kompensieren, benötigen sie mehr Versorgungsleistung. Deshalb wurde eine separate MCTS-Einheit (Multiple Current Transducer Supply) zur Versorgung der Stromwandler eingesetzt.
Aufgrund der Messungen an einem Frequenzumrichter ist der Anti-Aliasing-Filter im SIRIUS-DAQ-System elementar, um hochfrequente Signalanteile oberhalb der halben Abtastrate zu entfernen und damit eine hohe Messgenauigkeit sicherzustellen.
Temperaturmessung mit IOLITE
Neben den elektrischen Signalen interessierte sich der Kunde beispielsweise auch für die Umgebungstemperatur in der Klimakammer und die Temperatur des Touchdisplays.
Da diese Signale keine hohe Abtastrate erfordern, war die Standardversion des isolierten IOLITE-TH Moduls ausreichend (100 Hz / Spezialversion mit 10 kHz erhältlich). Werden in zukünftigen Messungen zusätzliche Messeingänge benötigt, lässt sich das IOLITE-R8 aufgrund der Modularität einfach mit Einschüben erweitern.
Messausrüstung
SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV: 8-kanaliger (4-phasiger) Hochgeschwindigkeits- und Breitband-Leistungsanalysator mit 15 MS/s Abtastrate und CAN-Schnittstelle
SIRIUSi-PWR-MCTS2: Versorgungseinheit für Stromwandler
MCTS-1000N: Vier Stromwandler; jeder Satz besteht aus einem IN-1000-S-Nullfluss-Stromwandler, kurzen DSI-MCTS-1000N-Shuntkabeln und 5 m langen Anschlusskabeln
IOLITE-R8: Modulares Datenerfassungs- und Steuerungssystem bis 20 kHz mit austauschbaren Einschüben für Temperatur, Spannung, Strom, Dehnungsmessstreifen, digitale Ein- und Ausgänge und weitere Messgrößen
DewesoftX Power Analyzer-Modul: Softwaremodul für eine umfassende Leistungsanalyse mit mehr als 100 spannungs- und strombasierten Parametern sowie Netzqualität, Flicker, Oberschwingungen und weiteren Kenngrößen
Prüfablauf für den DC-Schnelllader bei hohen Temperaturen
Temperaturregelung der Klimakammer
Das KEBA-Entwicklungsteam untersuchte das Verhalten der Ladestation bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Das SmartEST-Labor des AIT kann Prüfungen und Messungen an Hochleistungs-DC-Ladestationen in einem Temperaturbereich von −40 °C bis +120 °C durchführen. Ein wesentliches Merkmal der AIT-Klimakammer ist, dass sie schnell auf eine neue Solltemperatur wechseln kann.
Validierung des schrittweisen Leistungsderatings
Gerade bei hohen Temperaturen ist entscheidend, dass das System den Ladevorgang nicht abrupt beendet. Stattdessen sollte die Leistungselektronik die Ausgangsleistung kontrolliert und schrittweise reduzieren, um jederzeit die maximal mögliche Leistung bereitzustellen.
Simulation einer Elektrofahrzeuglast
Um das reale Verhalten eines Fahrzeugs nachzubilden, entwickelte und verwendete das AIT eine spezielle elektronisch geregelte Last, den sogenannten „EV-Emulator“ als Prüfgerät für Ladestationen. Während der Prüfung belastet der EV-Emulator die Ladestation. Statt die aufgenommene Energie als Wärme abzuführen, speist das rückspeisefähige System sie effizient in das Stromnetz zurück und ermöglicht dadurch nachhaltige Hochleistungsprüfungen.
Simultane Messung von AC-Eingangsleistung und DC-Ladeleistung
Dreiphasige AC-Eingangsleistung
Nachdem alle Signale mit den Messsystemen verbunden waren, analysierten die Ingenieure die elektrischen Leistungsmessungen in Echtzeit mit DewesoftX, der Software für Messdatenerfassung und digitale Signalverarbeitung.
Das Power-Modul, ein Software-Plug-in für DewesoftX, berechnet komfortabel und automatisch Wirk-, Blind- und Scheinleistung sowie Oberschwingungen und Netzqualitätsparameter in Echtzeit. Ein Tracking-Algorithmus ermöglicht außerdem die Berechnung dieser Parameter bei variabler Frequenz, beispielsweise während eines Hochlaufs auf einem Motorprüfstand.
Synchronisierte AC/DC-Leistungsanalyse
In diesem Fall war diese Funktion allerdings nicht erforderlich. Speziell für Anwendungen in der E-Mobilität bietet das Power-Modul auch die Berechnung der DC-Leistung. Der entscheidende Vorteil besteht darin, dass die AC- und DC-Leistungsmodule ihre Ergebnisse mit derselben Abtastrate ausgeben. Dadurch lassen sich die Messwerte anschließend einfach zusammenführen und vergleichen.
Wirkungsgrad und Umwandlungsverluste
Die Ausgangsleistung der DC-Ladestation für Elektrofahrzeuge liegt nur geringfügig unter der Eingangsleistung. Dies weist auf einen hohen Wirkungsgrad und geringe Umwandlungsverluste hin.
Testergebnisse, thermisches Derating und Leistungswiederherstellung
Prüfziele
Für KEBA war es entscheidend, die während der Entwicklung definierten Spezifikationen unter realen Prüfbedingungen zu verifizieren. Ab welchen Temperaturen greift die Regelung ein? Verhält sich der Betrieb an den Schwellenwerten wie vorhergesagt? Wird die Leistung nach der Abkühlung automatisch wieder erhöht?
Das Dewesoft-Messsystem bietet alle für die Prüfung von Ladestationen erforderlichen Funktionen, einschließlich Echtzeitanalyse und hochwertiger Messdatenaufzeichnung.
Nach einer kurzen Einarbeitungsphase überzeugte das Dewesoft-Messsystem durch seine Benutzerfreundlichkeit und hohe Flexibilität. Die größte Herausforderung bestand anfangs in der Einrichtung des Systems und der Kanalkonfiguration. Die professionellen Möglichkeiten zur Messdatenauswertung, die vielseitigen Analysefunktionen und der zuverlässige technische Support waren jedoch ausschlaggebend für unsere Entscheidung, diese Lösung einzusetzen.
Die Klimasimulationsprüfungen an der Ladestation KEBA KeContact DCA10 zeigen, wie wichtig die Validierung leistungsstarker Ladeinfrastruktur unter extremen Umgebungsbedingungen ist.
Da DC-Schnellladestationen zunehmend in Regionen mit hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, sind ein zuverlässiges Thermomanagement und ein kontrolliertes Leistungsderating entscheidend für Leistung, Sicherheit und Nutzerzufriedenheit.
Stabiler Ladevorgang und automatische Leistungswiederherstellung
Die Ergebnisse bestätigen, dass die KEBA KeContact DCA10 unter thermischer Belastung wie vorgesehen arbeitet. Statt den Ladevorgang bei hohen Temperaturen abrupt zu beenden, reduziert das System die Ausgangsleistung schrittweise und hält gleichzeitig einen stabilen Betrieb aufrecht.
Wenn die Temperaturen sinken, steigt die Ladeleistung automatisch wieder an. Dieses kontrollierte und normenkonforme Verhalten trägt dazu bei, die Verfügbarkeit der Ladestation zu maximieren und zugleich die Leistungselektronik, Steckverbinder und internen Komponenten über die gesamte Lebensdauer des DC-Schnellladers zu schützen.
Vergleich von Eingangs- und Ausgangsleistung
Die Testkampagne verdeutlicht außerdem den Nutzen einer umfassenden, hochauflösenden Leistungsmessung. Durch die synchrone Erfassung dreiphasiger Eingangsdaten und der DC-Ausgangsparameter konnten Wirkungsgrad, Umwandlungsverluste und dynamisches Betriebsverhalten detailliert analysiert werden. Die enge Übereinstimmung von Eingangs- und Ausgangsleistung bestätigt den hohen Wirkungsgrad des Systems und belegt die Wirksamkeit des leistungselektronischen Designs.
Nutzen akkreditierter Klimakammerprüfungen
Ebenso wichtig ist die Rolle akkreditierter Prüflabore wie des AIT SmartEST-Labors.
Klimakammerprüfungen in Verbindung mit realistischen Lastszenarien und der Analyse von Netzinteraktionen und Netzrückwirkungen bieten Herstellern eine kontrollierte und zugleich anwendungsnahe Umgebung, um die Einhaltung internationaler Normen und nationaler Netzanschlussregeln nachzuweisen.
Dieser Prüfaufbau reduziert das Entwicklungsrisiko erheblich und beschleunigt den Weg zur Serienproduktion und Marktzulassung.
Zuverlässiges Laden bei extremen Temperaturen
Insgesamt zeigt diese Fallstudie, dass Untersuchungen unter extremen Temperaturbedingungen nicht nur ein formaler Validierungsschritt sind, sondern eine wesentliche Voraussetzung für eine robuste und zukunftssichere DC-Ladeinfrastruktur darstellen.
Für KEBA stellen sie sicher, dass die Ladestationen selbst unter anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen eine zuverlässige Leistung, die Einhaltung regulatorischer Vorgaben und ein konsistentes Nutzererlebnis bieten.