Messtechnik

Veröffentlichungsdatum

3. Februar 2026

Leistung und Wirkungsgrad eines DC-Schnellladers

Notwendigkeit: Im Rahmen des Projekts wurde eine Leistungsmessung an einem DC-Schnellladesystem durchgeführt, um dessen Wirkungsgrad experimentell zu bestimmen. Diese Messung ist ein wichtiger Baustein für eine realistische energetische Bewertung des gesamten Elektrobussystems.

Elektrobusse werden an DC-Schnellladern geladen, die jedoch nicht direkt Gleichstrom aus dem Stromnetz erhalten. Das öffentliche Stromnetz stellt dreiphasigen Wechselstrom (AC) zur Verfügung, während die Fahrzeugbatterie Gleichstrom (DC) benötigt.

Der Schnelllader übernimmt daher die Umwandlung von AC-Netzstrom in DC-Ladestrom. Dieser Umwandlungsprozess ist nicht verlustfrei – ein Teil der elektrischen Energie geht in Form von Wärme verloren.

Für die Optimierung von Elektrobusflotten spielt nicht nur der Energiebedarf der Fahrzeuge eine Rolle, sondern auch die tatsächliche Netzlast, die durch Ladevorgänge entsteht.

  • Die aus dem Stromnetz bezogene AC-Leistung ist stets höher als die nutzbare DC-Ladeleistung für den Bus.
  • Die Verluste der AC-DC-Wandlung erhöhen somit die Netzlast und müssen bei Dimensionierung von Netzanschlüssen sowie Lastmanagementstrategien berücksichtigt werden.
  • Eine Vernachlässigung dieser Verluste führt zu einer Unterschätzung der benötigten Netzleistung und kann zu Engpässen im realen Betrieb führen.

Wirkungsgrad und Effizienz: Der Wirkungsgrad (Effizienz) des Schnellladers beschreibt das Verhältnis zwischen:

  • der nutzbaren DC-Leistung, die tatsächlich in die Fahrzeugbatterie eingespeist wird
  • und der AC-Leistung, die aus dem Stromnetz entnommen wird \[ \eta = \frac{P_{\text{DC}}}{P_{\text{AC}}} \]

Messung der AC-Netzleistung: Um den Wirkungsgrad korrekt bestimmen zu können, muss die dreiphasige AC-Leistung auf der Netzseite präzise gemessen werden. Zu diesem Zweck wurde im Projekt eine eigene dreiphasige 230V AC-Messbox Designt:

  • Messung von Spannung und Strom auf allen drei Phasen
  • Ermittlung der tatsächlich aus dem Netz bezogenen Leistung
  • Einsatz im Realbetrieb an DC-Schnellladesystemen

Diese Messbox ermöglicht eine exakte Gegenüberstellung von AC-Eingangsleistung und DC-Ausgangsleistung (gemessen am Fahrzeug) des Laders und bildet damit die Grundlage für eine belastbare Wirkungsgradbestimmung.

Die Ergebnisse sind relevant für eine realistische Gesamtenergiebilanz und für die netzseitige Optimierung von Elektrobusflotten.

AC Leistungsmessung – AC Messbox

Gebaute Messbox inkl. Verkabelung und Strommesswandler: Ausgelegt für 32A 3ph 230V AC, siehe Abbildung 1

Abbildung 1: Gebaute Messbox

Setup mit LMG Zimmer: siehe Abbildung 2

Abbildung 2: Setup mit LMG Zimmer

Messplan Effizienzbestimmung des Kempower DC-Schnellladers

Zur Bestimmung des Wirkungsgrads des DC-Schnellladers wird sowohl die netzseitige AC-Leistung als auch die fahrzeugseitige DC-Leistung erfasst. Ziel ist es, die Verluste der AC-DC-Wandlung realistisch zu quantifizieren.

Die Abbildung 3 zeigt schematisch die verwendeten Messpunkte sowie den zugrunde liegenden Systemaufbau.

Abbildung 3: Messplan zur Effizienzbestimmung

Messkonzept:

  • AC-Seite: Die vom Stromnetz bezogene dreiphasige AC-Leistung (PAC) wird direkt vor dem Schnelllader gemessen. Hierfür wird der Strommesswandler MA130 verwendet (Rogowski Spulen)
  • DC-Seite: Eine direkte Messung der DC-Leistung an den Hochvoltkabeln des Laders oder des Fahrzeugs ist nicht möglich, da diese geschirmt sind und ein nicht-intrusives Messen verhindern. Aus diesem Grund wird die DC-Leistung indirekt rechnerisch bestimmt.

Rechnerische Bestimmung der DC-Leistung: Die vom Schnelllader bereitgestellte DC-Leistung ergibt sich aus der Summe von:

  • der Leistung der Hochvoltbatterie (\(P_{\text{HVB}}\)): ermittelt aus CAN-Daten (Batteriestrom \(I_{\text{HVB}}\) und Batteriespannung \(U_{\text{HVB}}\))
  • der Leistung der Hochvolt-Nebenverbraucher (\(P_{\text{DC}}\)): gemessen über eine bereits im Fahrzeug installierte Messvorrichtung. Gemessen mithilfe der Strom-Messzange L60-Z68

Die Summe dieser beiden Leistungen entspricht der gesamten DC-Leistung, die der Schnelllader an das Fahrzeug abgibt.

Eine alleinige Betrachtung der Batterieleistung \(P_{\text{HVB}}\) ist nicht ausreichend, da das Fahrzeug auch während des Ladevorgangs elektrische Verbraucher auf der 12 V-Ebene (z. B. Kühlmittelpumpen, Steuergeräte) versorgt. Diese Verbraucher werden aus dem DC-Zwischenkreis gespeist und vom Batteriemanagementsystem (BMS) nicht direkt erfasst, tragen jedoch zur tatsächlich vom Schnelllader gelieferten Leistung bei. Auch eine mögliche Vorklimatisierung des Fahrzeugs über das HVAC-System wird auf diese Weise berücksichtigt, da sie ebenfalls über die Leistungselektronik (LE) versorgt wird.

Berechnung des Wirkungsgrads: Der Wirkungsgrad der Ladestation ergibt sich aus dem Verhältnis von nutzbarer DC-Leistung zur aufgenommenen AC-Leistung:

\[ \eta = \frac{P_{\text{HVB}} + P_{\text{DC}}}{P_{\text{AC}}} = \frac{I_{\text{HVB}} \cdot U_{\text{HVB}} + P_{\text{DC}}}{P_{\text{AC}}} \]

Dabei sind:

  • \(I_{\text{HVB}}\) : Strom Hochvoltbatterie
  • \(U_{\text{HVB}}\): Spannung Hochvoltbatterie
  • LE: Leistungselektronik / Inverter
  • \(P_{\text{HVB}}\): Leistung Hochvoltbatterie
  • \(P_{\text{DC}}\): DC Leistung HV-Nebenverbraucher
  • \(P_{\text{AC}}\): AC Leistung Netzseitig Schnellader
  • DC/DC OBC: DC/DC Wandler Onboard Charger (Ladegerät)

Nutzen des Messansatzes:

  • Realistische Bestimmung der tatsächlichen Ladeverluste
  • Berücksichtigung aller relevanten Leistungsflüsse im Fahrzeug
  • Hohe Praxistauglichkeit ohne Eingriffe in die Hochvoltverkabelung

Der Messplan ermöglicht damit eine belastbare Wirkungsgradbestimmung des DC-Schnellladers unter realen Betriebsbedingungen und liefert wichtige Grundlagen für die netz- und flottenseitige Optimierung von Ladeinfrastruktur.

Realer Messaufbau im E-mobility Labor:

Abbildung 4: Realer Messaufbau im E-mobility Labor: Teil 1
Abbildung 5: Realer Messaufbau im E-mobility Labor: Teil 2
Abbildung 6: Realer Messaufbau im E-mobility Labor: Teil 3

Mobilfunkfähiger GPS Datenlogger: CANedge3

Verwendung: Erfassung von Busrouten durch hochfrequente GPS-Positionsdaten (5 Hz) sowie zeitaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen zur Validierung der entwickelten Routenrekonstruktionsmethode.

Verwendetes Messgerät: CANedge3

Vorteile des CANedge3: Der Datenlogger verfügt über eine integrierte LTE-Mobilfunkanbindung, über die Messdaten automatisiert und kontinuierlich auf einen zentralen Datenserver übertragen werden. Dadurch stehen die aufgezeichneten Daten unmittelbar nach Installation im Fahrzeug zur Verfügung und ermöglichen direkte Auswertungen – ohne den sonst üblichen manuellen Datenexport von SD-Karten. Dies erhöht die Betriebsflexibilität erheblich, da keine Termine mit dem Busbetreiber für den regelmäßigen Datenabgriff erforderlich sind und der Messbetrieb vollständig unbeaufsichtigt erfolgen kann. Zudem verfügt der Logger über eine integrierte IMU, die hochauflösende Beschleunigungs- und Drehratendaten liefert. Dadurch werden vertiefte dynamische Analysen sowie die Berechnung der Fahrbahnneigung entlang der rekonstruierten Route ermöglicht.

Modifikationen: Umrüstung auf eine 5V-USB-Spannungsversorgung aufgrund der guten Verfügbarkeit entsprechender Anschlüsse in der Fahrerkabine. Zur Versorgung des CANedge3 wurde ein 5V auf 12V Step-Up-Wandler direkt am SUB-D-Stecker integriert. Die USB-Versorgung ermöglicht eine nicht-intrusive, schnelle Installation des Systems in der Buskabine, ganz ohne Eingriffe in bestehende Schnittstellen oder Datenbusse. Dadurch wird verhindert, dass sicherheitsrelevante Funktionen beeinträchtigt werden oder die Herstellergarantie der Busse gefährdet wird. Siehe Abbildung 7

Abbildung 7: GPS Datenlogger CANedge3