E-Mobility leistet schon heute einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz und in Zukunft werden Autos wesentlich häufiger Strom statt Benzin tanken. Ladesysteme sind daher ein dynamischer Wachstumsmarkt. Dabei müssen neue Geräte für die Ladeinfrastruktur vor ihrem Einsatz auf „Herz und Nieren“ geprüft werden. Schließlich gilt es nicht nur nationalen und internationalen Normen zu genügen, sondern auch hohe Sicherheits- und Qualitätsansprüchen zu erfüllen. Simulationen und Messungen in Prüfinstituten helfen, potenzielle Fehlerquellen aufzuspüren, Designverbesserungen zu realisieren und die notwendigen Zertifizierungen zu erlangen. Die Aufgaben sind dabei vielfältig und reichen von Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit über das Netzanschlussverhalten bis hin zur Simulation von Umwelteinflüssen. Hier kommen programmierbare Netzgeräte zum Einsatz, die sich durch einen modularen Aufbau flexibel an ganz unterschiedliche Szenarien anpassen lassen.
Im 22.000 Quadratmeter großen Tüv Austria Technology & Innovation Center in Wien betreibt der unabhängige und einzige österreichische Tüv als Prüf-, Inspektions- und Zertifizierungsunternehmen seit 2021 ein modernes Labor zum Prüfen von Komponenten der AC- und DC-Ladeinfrastruktur für Elektromobilitätsanwendungen. In zwei Labor-Bereichen lassen sich umfangreiche Untersuchungen rund um die elektromagnetische Verträglichkeit (kurz EMV) und das Netzanschlussverhalten unterschiedlicher Komponenten durchführen. „Da unsere Kunden nicht vorhersehbar sind und wir oft in beiden Bereichen parallel prüfen, müssen wir bei der Leistungsbereitstellung sehr flexibel sein“, erläutert Klaus Alberer, der beim Tüv Austria für den Bereich E-Mobility Innovation zuständig ist.
Bereits heute variieren die Anschlussleistungen beträchtlich. Im AC-Bereich sind aktuell 11 bis 22 Kilowatt üblich. Der Standard sieht bis zu 80 Kilowatt vor. Bei der DC-Versorgung geht der Weg von aktuell 350 Kilowatt in Richtung 500 Kilowatt oder gar bis hin zu ein Megawatt Ladeleistung. „Da zudem die Prüfungen sehr vielschichtig sind, müssen unsere Anlagen sehr flexibel sein und sich effizient nutzen lassen, auch was die Energieversorgung betrifft“, fährt Klaus Alberer fort.
Auf der Suche nach den passenden Netzgeräten kontaktierten die Österreicher die Stromversorgungsspezialisten von Ing. Fischer für entsprechende Lösungen. „Hinzu kam aber auch die kompetente Beratung und partnerschaftliche Zusammenarbeit, denn es genügte nicht nur die passenden Komponenten zu finden, sondern eine funktionierende Gesamtlösung für unsere Aufgabenstellung“, betont Klaus Alberer. So ließ sich das Großprojekt mit insgesamt 778 Kilowatt Leistung und AC- oder DC-Ausgang innerhalb von nur zwölf Monaten installieren und in Betrieb nehmen.
Die zentrale Leistungsversorgung besteht aus acht „TC.ACS 50-kVA“-Netzsimulatoren und sieben bidirektionalen Netzgeräten der „G5-Serie“ von Regatron. Die Netzsimulatoren sind als 3-Phasen-Wechselstromquellen mit 4-Quadranten-Betrieb ausgelegt und bieten ungewöhnlich viele Programmierfunktionen. Sie arbeiten mit hoher Schaltfrequenz, einem weiten Grundfrequenzbereich von DC bis 1000 Hertz und einer hohe Modulationsbandbreite von 5 Kilohertz. Damit kann für Simulationen eine harmonische Verzerrung bis zur 100. Harmonischen bei 50 Hertz oder zur 83. Harmonischen bei 60 Hertz mithilfe eines komfortablen Fourier-Werkzeugs exakt reproduziert werden. Das System kann zudem einfach und umfassend an die verschiedenen Untersuchungen für EMV- und Netzanschlussverhalten angepasst werden.
Prinzipiell sind drei Betriebsarten wählbar. Die Leistungsverstärker können als programmierbarer Netzsimulator, ferngesteuerter 4Q-Wechselspannungsverstärker oder als elektronische Wechselstromlast mit programmierbarer RLC-Lastimpedanz arbeiten. Zudem wird die Wirkleistung effizient in das 3-Phasen-Netz zurückgespeist. Ing. Fischer hat die Geräte inklusive Wasserkühlung mit allem notwendigen Zubehör wie Messgeräten, Umschalteinheiten, Sicherheitseinrichtungen und Displays in kompakten Schränken verbaut. Dem Prüfinstitut steht damit eine schlüsselfertige Lösung zur Verfügung. Hinzu kommt die umfangreiche Applikationssoftware von Regatron, so gibt es beispielsweise fertige Pakete für die unterschiedlichsten EMV-Prüfungen. Aber auch alle anderen Parameter für unterschiedlichste Testszenarien lassen sich schnell und einfach einstellen, angefangen von Variationen der Grundsystemspannungen und -frequenz sowie Einstellungen der Phasenbeziehung, über Spannungsabfälle im gesamten Netzwerk oder einzelne Abfälle pro Phase, Flicker sowie Über- und Unterspannungen bis hin zu Spannungsunsymmetrien. Zudem kann man auch überlagerte harmonische und interharmonische Spannungen oder Phasenwinkel definieren.
Gleiches gilt auch für die bidirektionale DC-Stromversorgungsserie „G5“. Auch sie bietet umfangreiche Softwareunterstützung und wurde mit den entsprechenden Mess- und Überwachungseinheiten in kompakten Schränken verbaut. Bei hohen Leistungen bis 54 Kilowatt bieten die Stromversorgungen große Regeldynamik, einen Auto-Ranging-Faktor von drei sowie einstellbare Ausgangsfilterzeitkonstanten. „Für die Ladesäulen-Seite ließen sich für unsere Prüfszenarien die entsprechende Software von Comemso Electronics integrieren“, ergänzt Klaus Alberer.
Sowohl die AC- als auch die DC-Stromversorgungen sind modular aufgebaut, skalierbar und lassen sich nachträglich ergänzen, falls der Leistungsbedarf steigt. Zudem bieten sie variable Verschaltungsmöglichkeiten: Seriell, parallel und auch ein Mix-Betrieb ist möglich. Das macht die Leistungsverteilung sehr flexibel. Im Tüv Austria Technology & Innovation Center gibt es vier Abgabe-Punkte: zwei für das EMV-Labor und einen für den Bereich, in dem das Netzanschlussverhalten getestet wird (E-Labor). Der vierte Abgabepunkt wird zukünftig die 2700 Quadratmeter große Prüffläche versorgen, wovon dann etwa 300 Quadratmeter für Klima- und Umweltsimulationen genutzt werden „Die Leistungsverteilung ist dadurch sehr flexibel“, fasst Alberer zusammen. „Bei Bedarf lassen sich auch einmal die AC-Netzteile als DC-Quelle nutzen. Uns hat zudem noch ein weiteres Argument überzeugt: Ing. Erhard Fischer bietet lebenslangen Support, hat uns also nicht nur bei der Konzeption und Inbetriebnahme unterstützt, sondern ist mit Rat und Tat auch heute zur Stelle, wenn im laufenden Betrieb Probleme auftreten oder wir Beratung brauchen.“
Autoren: Ing. Walter Wagner, MBA, Geschäftsführender Gesellschafter der Ing. Erhard Fischer GmbH und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee
