Industrielle Gleichstromnetze Elektrofahrzeuge als virtuelle Batterien

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Im Projekt DCI4Charge haben Forschende des Fraunhofer IPA gezeigt, wie Elektrofahrzeuge in industriellen Gleichstromnetzen als flexible Speicher dienen. Das Konzept soll Lastspitzen abfedern, Energieverluste senken und die Netzstabilität unterstützen.

Steigende Energiekosten sind für produzierende Unternehmen ein wichtiger Faktor. Gleichzeitig nimmt mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen der Bedarf an Ladepunkten zu. Das Konsortialprojekt „DCI4Charge“ hat deshalb untersucht, wie sich Ladeinfrastruktur in industrielle Gleichstromnetze integrieren lässt. Die Batterien der Fahrzeuge können dabei als flexible Speicher dienen, Lastspitzen abfedern und Energie bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen, ohne die Netzstabilität oder die Verfügbarkeit der Fahrzeuge zu beeinträchtigen.

Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB sowie die Industriepartner Ambibox, Eaton und Weidmüller. Das Projekt wurde im April 2026 abgeschlossen.

Laden direkt im Gleichstromnetz

Ein zentraler Anwendungsfall war der „DC Innovation Hub“ in der Weidmüller Akademie in Detmold. Dort wird Strom aus erneuerbaren Quellen in einem Gleichstromnetz genutzt. Im Projekt wurde dieses Netz um Elektrofahrzeuge als flexible Speicher erweitert. So lassen sich die Fahrzeugbatterien laden, für die Netzstabilisierung nutzen und bei Bedarf wieder entladen.

In herkömmlichen Anwendungen werden Ladesäulen über das Wechselstromnetz versorgt. Dafür muss der Strom mehrfach umgewandelt werden, wobei jeweils Umwandlungsverluste entstehen. Eine direkte Anbindung der Ladeinfrastruktur an ein betriebliches Gleichspannungsnetz kann diese Umwege reduzieren.

„Wenn wir die Ladeinfrastruktur direkt an das unternehmensinterne Gleichspannungsnetz anbinden, vermeiden wir diese Umwege“, erklärt Dietmar Hölderle, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsteam Industrielle Mikronetze am Fraunhofer IPA. „Gleichzeitig können wir die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterien als virtuelle Batterie einbinden und Verbrauchsspitzen glätten.“

Virtuelle Batterien für Lastspitzen

Dafür entwickelten die Projektpartner ein elektrisches Modell des Gleichstromnetzes und der Ladeinfrastruktur sowie ein softwaregestütztes Energiemanagementsystem. Das System berücksichtigt die Stromerzeugung und den Verbrauch ebenso wie betriebliche Vorgaben. Dazu zählen beispielsweise Mindestladezustände, damit die Fahrzeuge weiterhin für ihre vorgesehenen Aufgaben verfügbar bleiben.

Simulationen zeigten, dass die Sekundärregelung des Gleichstromnetzes die Spannung stabil halten kann, während die Fahrzeugbatterien flexibel eingesetzt werden. So kann das System bei hohen Strompreisen Energie aus den Fahrzeugbatterien bereitstellen oder die Leistungsaufnahme des Netzes zu bestimmten Zeitpunkten reduzieren.

Einstufige Wandler für die Ladeinfrastruktur

Eine zentrale Komponente der Infrastruktur sind leistungselektronische DC/DC-Wandler. Sie passen die Spannung des industriellen Gleichstromnetzes an die Spannung der Fahrzeugbatterien an und ermöglichen zugleich den Rückfluss von Energie aus den Fahrzeugen ins Netz.

Das Fraunhofer IISB entwickelte dafür galvanisch trennende Wandler. Die galvanische Trennung sorgt dafür, dass das Unternehmensnetz und die Fahrzeugbatterie elektrisch voneinander entkoppelt sind. Anders als bei vielen herkömmlichen Lösungen arbeiten die entwickelten Wandler einstufig. Eine einzelne Wandlerstufe übernimmt sowohl die galvanische Trennung als auch die Anpassung der Netzspannung an die jeweils benötigte Batteriespannung.

Erprobung im industriellen Gleichstromnetz

Um diese Bauweise umzusetzen, entwickelten die Forschenden eine Regelungsstrategie, die auch bei unterschiedlichen Fahrzeugklassen und einem breiten Spannungsbereich stabil arbeitet. Die Wandler wurden im Labor aufgebaut und vermessen. Anschließend testeten die Projektpartner sie in einem industriellen Gleichspannungsnetz.

Dabei untersuchten sie unter anderem den Wirkungsgrad, das thermische Verhalten und die Regelgüte. Die Wandler reagierten nach Angaben der Projektpartner dynamisch und stabil. Gleichzeitig reduzierten sie die Zahl der benötigten Komponenten und gewährleisteten die elektrische Trennung zwischen Unternehmensnetz und Fahrzeugbatterie.

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Energiemanagement im Praxistest

Auf Systemebene entwickelte das Fraunhofer IPA ein Energiemanagementsystem und ein Simulationsmodell. Dieses bildet die elektrischen Komponenten des Gleichstromnetzes ab und ermöglicht die Untersuchung verschiedener Lade- und Entladestrategien. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich die Vorgänge auf die Netzstabilität und die Spannungshaltung auswirken.

Gemeinsam mit der TH OWL validierte das Fraunhofer IPA das Modell in einem Testnetz. Dabei wurden unterschiedliche Betriebsszenarien nachgebildet und mit Messdaten aus dem Labor verglichen. Das Modell zeigte eine hohe Übereinstimmung mit den Messungen und wurde erfolgreich validiert. Es kann künftig zur Auslegung, Analyse und Weiterentwicklung von Gleichstromnetzen genutzt werden.

Das Energiemanagementsystem steuert die Lade- und Entladevorgänge der angeschlossenen Elektrofahrzeuge automatisch und berücksichtigt dabei technische und betriebliche Vorgaben. „Wir konnten zeigen, dass sich die Batterien gezielt für Anwendungen wie dynamische Stromtarife einsetzen lassen, etwa indem bei hohen Strompreisen Energie aus den Fahrzeugen bereitgestellt wird, ohne die Verfügbarkeit der Fahrzeuge einzuschränken“, fasst Hölderle zusammen.

Mit dem Abschluss von „DCI4Charge“ im April 2026 liegt ein Gesamtkonzept für die Einbindung von Elektrofahrzeugen in industrielle Gleichstromnetze vor. Es umfasst die leistungselektronische Anbindung, ein Simulationsmodell und ein Energiemanagementsystem. Unternehmen können damit Gleichstromnetze, Ladeinfrastruktur und Fahrzeugbatterien zu einem integrierten Energiesystem verbinden.