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DC-Laden: CCS vs. Typ 2 (Tesla), technische Diskussion

Es gibt ja schon ein paar Diskussionen zum Thema CCS…

Leider habe ich von E-Technik keine Ahnung, und daher wird sicher der eine oder andere hier aus dem Forum noch erhellende Anmerkungen machen können oder mich, wenn nötig, korrigieren.

Ich stehe im Kontakt mit einem Mitarbeiter eines mittelständischen Unternehmens, das auf Industriesteckvorrichtungen spezialisiert ist. Aus unseren Gesprächen haben sich einige spannende Beobachtungen ergeben, die ich gern zur Diskussion stellen möchte. Als erstes ist mal festzuhalten, dass die Profis bzgl. Teslas Supercharger-Konstruktion fast genauso im Dunkeln tappen, wie wir. Die wissen auch nicht, wie Tesla das genau macht, dass sie 135 kW über Typ 2 transportieren, und könnten das ohne genauere Unterlagen – die Tesla natürlich nicht rausgibt – wohl auch nicht einfach nachbauen. Man gibt das natürlich nicht gern offen zu, aber „einfach machen“ ist jedenfalls nicht drin: Man kann nicht den Typ 2-Stecker nehmen, wie er ist, und für DC-Schnelladung normieren.

A) Spezifikation

Die Unterschiede beginnen bei der Spezifikation: CCS ist vorgesehen für bis zu 170 kW (Dauerlast?), während Tesla nach unserer Kenntnis über ihre Variante des Typ 2-Steckers bis zu 135 kW (Spitzenlast) schickt. Ob dieser Unterschied in der Praxis relevant ist, könnte man in einem separaten Thread(!) sicher trefflich diskutieren, hier möchte ich gern erstmal die technischen Unterschiede und Probleme sauber herausarbeiten.

Die vorgeschlagene (und inzwischen zu Gunsten von CCS zurückgezogene) Spezifikation von Mennekes für DC-Mid sah für DC-Ladung über den Typ 2-Stecker bis zu 70 kW vor, also etwas mehr als die Hälfte dessen, was Tesla realisiert. Dieser Vorschlag von Mennekes bietet eine gute Diskussionsgrundlage, denn wir können davon ausgehen, dass 70 kW DC Dauerlast(!) für einen normkonformen Typ 2-Stecker unter Berücksichtigung aller erdenklichen Sicherheitsreserven verkraftbar sind:
typ2.jpg

EDIT: Diese Grafik wird unter anderem in einer Medieninformation von MENNEKES aus dem September 2011 verwendet, in der die verschiedenen Modi noch genauer erläutert werden:
MENNEKES_Medieninformation_-_Ladesteckvorrichtungen_Typ_2_für_AC_und_DC_Ladung_02.pdf (372 KB)

Es stellen sich nun zwei Fragen: Welche technischen Probleme löst der CCS-Stecker? Und an welchen Schrauben hat Tesla gedreht, um durch die Typ 2-Steckergeometrie bis zu 135 kW zu schicken?

B) Umschaltung

Man kann festhalten, dass CCS dedizierte Steckkontakte für AC- vs. DC-Laden vorsieht. Das bedeutet, dass fahrzeugseitig alles hart verdrahtet sein kann – die AC-Kontakte führen in den Onboard-Charger und die DC-Kontakte direkt in die Batterie. Will man wie Tesla oder wie in DC-Mid vorgeschlagen dieselben Kontakte sowohl für DC- als auch für AC-Laden nutzen, dann erfordert das eine fahrzeugseitige Umschaltung zwischen den Modi, d.h. es muss Kommunikation stattfinden und es muss ein Bauteil (Schütz) vorhanden sein, um die Umstellung durchzuführen. Die ganze Konstruktion muss dabei sicher und fehlertolerant ausgelegt sein. Niemals darf AC-Ladung direkt an die Batterie durchgeschaltet werden oder DC-Ladung an die Onboard-Charger geschickt werden. Das bedeutet zusätzliches Gewicht, Komplexität, Kosten und Fehlerquellen.

C) Verriegelung

Soweit ich gehört habe (falls jemand Quellen dazu hat, bitte her damit!) hält die Verriegelung des Typ 2-Steckers laut Norm 200 Nm und die Verriegelung des CCS-Steckers 750 Nm Zugkraft aus. Warum ist das wichtig? Der Lichtbogen, der entsteht, wenn man einen Stecker unter 135 kW Last zieht, ist gewaltig. Natürlich gibt es weitere Sicherheitsmaßnahmen, wie den Pilotkontakt – wenn der abreißt, sollte der Strom „sofort“ abgeschaltet werden. Wenn man allerdings über eine Norm für den täglichen Gebrauch durch Dummuser spricht, muss man bei den Gefahren, die von so hohen Strömen ausgehen, mehrfach redundante Sicherheitsmaßnahmen einbauen.

Man darf wohl annehmen, dass auch Tesla hier mehrfach redundante Sicherheit eingebaut hat, denn ein Unfall in diesem Zusammenhang würde nicht nur in USA horrende Schadenersatzforderungen nach sich ziehen, sondern würde Teslas Image potentiell irreparabel beschädigen, mit anderen Worten, sie könnten einpacken. Interessante Frage, die wahrscheinlich keiner von uns durch Ausprobieren beantworten möchte: Welche Zugkraft hält die Verriegelung der Supercharger, und wie schnell reagiert der Notaus-Schalter, wenn der Pilotkontakt abreißt?

D) Thermische Belastung

Ein großes Problem bei so hohen DC-Strömen ist die thermische Belastung der Steckverbindung. Dieses Problem löst der CCS-Stecker durch entsprechend dicke Kontakte. Wie löst Tesla das im Typ 2-Stecker? Hier einige Überlegungen:

  • Sicher werden für + und - je zwei Pins zusammengeschaltet, wie bei DC-Mid. Das ist allerdings bei den gegebenen Strömen nicht so unproblematisch, wie es sich in der Theorie anhört: Wenn die Widerstände auf beiden Leitungen nicht exakt gleich sind, wird eine Leitung sofort überlastet („raucht ab“, „schmilzt weg“). Alleine diesen „Trick“ so zu implementieren, dass er auch sicher funktioniert, ist eine bemerkenswerte Leistung.
  • Es scheint eine technische Notwendigkeit zu sein, dass Tesla Kontaktstifte verwendet, die mehr Kontaktfläche realisieren, als ein normkonformer Typ 2-Stecker. Es scheint leicht vorstellbar, dass die Kontaktstifte länger sind als im Typ 2-Standard, so dass der Chargeport trotzdem mit dem Typ 2-Standard „abwärtskompatibel“ ist. Es gibt sogar Berichte, nach denen die Stifte bei Tesla dicker sind als in einem normalen Typ 2-Stecker, allerdings ist mir auf einer ganz grundlegenden geometrischen Ebene nicht klar, wie das standardkonform funktionieren soll.
    EDIT: Die Kontakte scheinen geometrisch absolut identisch mit einem ganz normalen Typ 2-Stecker zu sein:
    Nutzung von RWE Ladesäulen
  • Allem Anschein nach nutzt Tesla die dicken Kupferleitungen an den Superchargern nicht nur, um den Strom zu leiten, sondern auch, um in der anderen Richtung die Wärme vom Stecker abzuleiten. Das erklärt, warum die Kabel im Verhältnis zum Stecker gar so dick sind. Eine elegante Lösung, allerdings ist noch unklar, wie effektiv diese „Steckerkühlung“ tatsächlich ist.
  • Auch der Supercharger lädt ja bekanntermaßen nicht mit 135 kW Dauerlast. Nach den uns bekannten Daten (siehe Ladeverhalten am Supercharger) liegen die Ströme den meisten Teil der Ladezeit im Bereich von DC-Mid (bis zu 70 kW) und sind insofern unbedenklich/„kein Hexenwerk“. Die Lastspitzen, die deutlich über DC-Mid hinausgehen, liegen nur für wenige Minuten an. Man darf annehmen, dass das Ladeverhalten der Batterie in diesem Punkt der Steckverbindung entgegen kommt. Vermutlich hätte auch Tesla Probleme, über ihren Stecker 135 kW Dauerlast zu übertragen. Glücklicherweise ist das aber gar nicht notwendig, so dass die Lösung von Tesla eine sehr elegante Lösung für ein sehr spezielles Problem ist.

E) Luft-Kriechstrecken und Isolierung

Grundsätzlich hat Strom ja kein Problem damit, eine (zu dünne) Isolierung zu überwinden. Je höher die Ströme, desto höher die Anforderungen an die Isolierung bzw. den Abstand zwischen den Polen – sonst: Kurzschluss, Lichtbogen. So elegant die kompakte Konstruktion des Typ 2-Steckers ist, so eng sind wohl schon rein theoretisch die Toleranzen für die Isolierung der Pole zueinander. Dickere Kontaktstifte (siehe D) würden das Problem sogar noch verschärfen. Es ist unklar, wie Tesla auf so engem Bauraum die Pole ausreichend voneinander trennt, damit die hohen Ströme unter allen Umständen brav in den ihnen zugeteilten Kontakten bleiben. Der CCS-Stecker hat dieses Problem nicht in der Schärfe, er nimmt sich einfach den Platz, den er braucht.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, das Tesla eine bemerkenswerte Ingenieursleistung vollbracht hat, und dass die Alltagstauglichkeit und die Sicherheit der Konstruktion bei den gegebenen Strömen aus der Steckergeometrie nicht trivial abzuleiten ist. Es ist schon noch ein bisschen „Magic Sauce“ dabei… Einerseits gebührt Tesla Respekt für diese Leistung, andererseits bleibt uns im Moment nichts anderes übrig, als zu hoffen, dass ausreichend Sicherheitsreserven eingebaut sind. Ich denke, wir können davon ausgehen, dass der Stecker sicher ist – denn wäre er es nicht, wäre der Fortbestand der Firma und der Fortschritt der Elektromobilität insgesamt extrem gefährdet, und das wird man bei Tesla nicht riskieren. Schließlich muss man wohl (leider) auch anerkennen, dass die Konstruktion nicht offensichtlich zur Normierung geeignet ist, sondern eher den Anschein einer pfiffigen Speziallösung erweckt.

zu D: Kontakte parallel schalten
Metalle (Kupfer) haben einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bedeutet, der Widerstand steigt mit Erwärmung. Es findet also bei ungleicher Belastung eine gewisse Mittelung statt. Das Prinzip von mehreren parallelen Kontakten ist bei Hochstromverbindungen öfter zu finden und recht gut in den Griff zu bekommen.

zu E:
Die Kriechstrecken beziehen sich in erster Linie auf die anliegende Spannung und diese ist mit max gut 400V beim Supercharger ja eher gering.

Allgemein:
Eine Steckverbindung im Sprachgebrauch nur auf eine bestimmte Leistung auszuweisen kann Missverständnisse hervorrufen. DC-mid bei Mennekes z.B. ist mit 70kW angegeben. Bei Tesla würde dieser Stecker aber nur bis theoretisch 56 kW (400V x 140A) gehen. Praktisch noch weniger, da der Akku bei 400V fast voll ist und keine 140A mehr fließen.

Teslas Typ2 verkraftet hingegen jetzt schon 300A und wenn die Supercharger volle angekündigte Leistung geben, sind da ca 350-360A im Spiel. Der Unterschied von DC-mid Mennekes Typ2 zu Tesla ist also sogar Faktor 2,5 !

Für diese gesamte Betrachtung fehlen mir persönlich einige wichtige Informationen, eine der wichtigsten wäre, welche Spannung die Supercharger haben. Wären das z.B. 750V, dann würden bei 135kW lediglich 180A (= 28% mehr als beim DC mid Vorschlag) fließen. Mit ein wenig längeren Kontakten und etwas zusätzlichem Aufwand bei der Isolierung ist das leicht zu realisieren.

Edit sagt: Habe den Beitrag vorher nicht gesehen - ist das gesichert, dass 400V anliegen beim SC?

Die Spannung die am Supercharger anliegt entspricht immer der aktuellen Batteriespannung des zu ladenden Fahrzeigs + eine gewisse Spannungsüberhöhung um den ohmschen Widerstand der Leitungen + Innenwiederstand der Batterie zu überwinden.

Das Fahrzeug steuert den Ladevorgang unter Vorgabe des jeweilig zulässingen Ladestrom und der maximale Ladespannung, der Supercharger begrenzt den Strom und damit die Spannung

lg

Eberhard

Zur Info:

phoenixcontact-emobility.com … tem-type-2

phoenixcontact.com/global/pr … _75257.htm

(siehe auch die technischenDaten)

DC Typ 2geht nur bis 125 A, für mehr ist der Querschnitt der Kontakte nicht ausreichend.

Für die 200 A DC sind größere Querschnitte notwendig, weil sonst die Übergangswiderstände zu hoch werden.

Typ 2 kann ja bei der Kombidose weiterhin verwendet werden, diese ist also für Typ2 und CCS/DC uneingeschränkt verwendbar.

Gruß SRAM

Das sind interessante Fragen. Ich bin leider auch kein Spezialist, aber ich könnte mir vorstellen, dass man ausgehend von der DC-Mid Spezifikation allein durch Auswahl von qualitativ hochwertigeren Bauteilen und Materialien etwas mehr rausholen kann. Ausserdem wäre interessant was generell unter Dauerlast verstanden wird (5 Minuten oder 24h?). Ich kann mir vorstellen, dass die Spitzenlast bei DC Mid durchaus im Bereich der jetzigen Supercharger Leistung liegt. Die Dauerbelastung beim SuperCharger liegt ja IMHO deutlich unterhalb von 70kW.

PS: Bei CEE ist die Dauerlast mit 6h spezifiziert? Gilt das auch fur Typ 2?

Schon klar, aber es sind ja auch Varianten denkbar, dass die einzelnen Module zum laden an den SC in Reihe geschaltet werden (vereinfacht gesagt) um mit höherer Spannung und damit geringeren Strom zu laden. Gehe ich von den 135kW und nur 400V aus, dann belaste ich die Leitungen mit ca 350A - das ist nahezu das doppelte wie beim klobigen CCS Stecker.

Stimmt nicht. Dauer ist dauer, 24/365. Der Aufdruck 6h bezieht sich auf die Lage des Schutzkontaktes.

Ok. D.h Dauerlast ist dauer. Die Frage ist nun für mich welche Dauerlast die SC haben müssen. 135kW sind es ja sicher nicht.

Das ist bei einer Standardsteckverbindung ganz egal: diese MUSS kompatibel sein !

(oder würdest du eine Schuko-Dose auf 6kV „tunen“, wenn die Gefahr besteht, daß da einer einen Standardstecker reinsteckt ? )

Gruß SRAM

Mh, mir ist nicht bewusst, dass SuperCharger standardisiert sind. Es spricht doch nichts dagegen, dass sowohl die Stecker beim SuperCharger als auch die Ladebuchse beim Model S eine höhere Spezifikation hat als der Standard. In der Tat müssen sie das ja auch, sonst würde es keine SuperCharger mit Typ 2 Verbindung geben.
Daher verstehe ich Deine Argumentation jetzt überhaupt gar kein bisschen. Wenn da ein i3 an den SuperCharger ranfährt und ein Honk das Kabel reinsteckt, dann muss sichergestellt werden, dass der i3 nicht in Flammen aufgeht, da geb ich Dir recht :wink:

Moderator Note: Die Antworten auf diesen Beitrag wurden in das Thema Supercharger: Schutz vor Missbrauch und Fehlbedienung? verschoben.

Nicht ganz egal. Zunächst mal werden die Supercharger nur von Tesla genutzt. In dem Fall sind alle beteiligten Komponenten von Tesla und Tesla kann beliebige Qualitätsanforderungen für sich selbst formulieren und deren Einhaltung prüfen.

Wenn Du „Standardsteckverbindung“ schreibst, stellt sich die Frage: Welcher Standard? Kompatibel womit? Es gibt noch keinen verabschiedeten Standard für DC-Schnellladung. Wenn der irgendwann formuliert und verabschiedet wird, wäre es doch nur normal, dort auch eine Mindestanforderung an die Materialqualität reinzuschreiben, und die kann ja gern höher sein, als in der bereits verabschiedeten Norm für AC-Laden.

Erstmal ein riesengroßes Lob an Volker.Berlin !!! richtiger guter Thread !!! :smiley:

Das war viel Arbeit und das ist alles vollkommen richtig!

meine Anmerkungen dazu:

für die DC Ladung ist das die IEC 62196-3 , aber richtig, noch nicht verabschiedet

merkt man jetzt aber wirklich nicht und ein E-Techniker hätte es aber auch nicht besser schreiben können!

ist das vielleicht der Grund, warum die Autoindustrie auf einen anderen Stecker wollte?? sprich weniger Kosten und Risiken im Fahrzeug??

und deswegen gibt es von manchen Herstellern nur, bzw. nur noch Stecker mit Kabel und keine Stecker einzeln mehr

und wohl auch die Lobby fehlt, dies in Brüssel durchzukriegen :frowning:

sehe ich sonst vollkommen genauso !
+1000 :mrgreen:

Danke, danke! :blush: :sunglasses:

Man könnte sagen, dass dieser Beitrag über Monate gereift ist und nun endlich geschrieben werden wollte. Ich hoffe, dass noch andere mit ihren Beobachtungen und Überlegungen dazu beitragen können, nach und nach diese im wahrsten Sinne des Wortes „kleine“ Meisterleistung von Tesla zu verstehen und zu „entzaubern“. Mir selbst fehlt zum Beispiel noch jede eigene Erfahrung mit den Superchargern. Es wäre toll, wenn sich mal jemand die Mühe machen würde, unter guten Bedingungen ordentliche Fotos von dem Supercharger-Stecker (äh, Kupplung) zu schießen – am liebsten im direkten Vergleich mit einer 3rd-Party Typ 2-Standard-Kupplung – und die hier rein zu stellen. Interessant wäre auch eine Messung des Temperaturverlaufs am Supercharger-Stecker, oder alles was Euch sonst noch ein- und auffällt.

Auch von mir großes Lob für diesen Thread!

Ich trauere DC-Mid nach, wenn es denn wirklich dem CCS zum Opfer gefallen ist. Man könnte darüber sooo schön sein Auto mit DC aus der Solaranlage laden :wink:

Das ist richtig überlegt, aber nicht zu Ende. Niemand will auf 300V DC langen, wenn er die Schutzkappe am i3 Ladeport abzieht. Also ich vermute stark, da ist auch ein Schütz drin, der erst durchschaltet, wenn sich Auto und DC Schnelllader einig sind.
Dieser Schütz ist aber ein einfacher auf/zu und unterscheidet sich damit vom Bauteil im Tesla, welches eine echte Umschaltung zwischen zwei Stromkreisen macht: die 4 Pole des EU Chargerport werden vom/ von den AC Ladern getrennt und auf die Hochvolt-Batterie umgeschaltet. Ich kann aber nicht sagen, was für ein Kostenunterschied dies ausmacht.

Die Diskussion über Supercharger: Schutz vor Missbrauch und Fehlbedienung? scheint ein eigenes Thema zu rechtfertigen. Ich habe die entsprechenden Beiträge verschoben.

was sind den jetzt die Ströme am SC?
Ist DC, also gleichstrom, dann einphasig?
d.h. wenn 400V anliegen und es in der Spitze dann 135 KVA sein sollten, müssten 135’000W (VA) / 400V = 337,5 A sein.
Ist das so korreckt?

Mg Manu

Ja

Nicht ganz so einfach.
Bei 400V fließen keine 337,5A mehr. Der Punkt der maximalen Leistung liegt dort, wo der Strom anfängt zu sinken. Denn dort treffen sich die höchste Spannung und der höchste Strom zur gleichen Zeit. Überall anders ist immer nur eine Größe hoch. Beim Ladebeginn der Strom und beim Ladeende die Spannung.
Wenn wirklich zu einer bestimmten Zeit 135kW in die Akkus gehen sollen, dann muss der Strom noch höher sein.

Kämen in Zukunft Akkus mit 100kWh oder 120kWh, würden diese (bei gleicher Chemie) 160kW bzw 190kW Ladeleistung (bis 70% SOC) vertragen. Man stelle sich vor, wieviele km/h man so einsacken könnte…

Ist die Grenze für das Tesla-System erreicht? Vorschlag für einen einfachen schnellen, pragmatischen und kostengünstigen Feldtest: Superchargen (ohne Säulennachbar), bei 70% abbrechen (bis dahin fließen wohl 120kW), Stecker abziehen und dann die Finger an die Kontakte halten (sind dann natürlich ohne Spannung). Riecht es anschließend wie Hähnchen oder ist das ganze Steckersystem heiss oder sehr heiss, ist die Grenze für das System sicher erreicht und höhere Ströme bräuchten einen stärkeres System, zB DC High.

Wir brauchen also einen Freiwilligen.

PS Man könnte Temperatur auch anders als mit Fingern bestimmen… :wink:
PPS nach DCC beim i3 (max 40kW) war der Stecker kaum warm.