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13-12-2022 | Elektromobilität | Gastbeitrag | Article

So lässt sich die Wärme beim Laden reduzieren

Author: Thomas Mathews

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Besitzer von Elektrofahrzeugen wollen ihr Auto so schnell wie möglich aufladen. Die Hersteller stoßen bei Schnellladelösungen jedoch auf eine große Herausforderung: die Wärmeentwicklung während des Ladevorgangs. 

Wenn Strom durch einen beliebigen Leiter fließt, entsteht Wärme, und ein hoher Strom erzeugt durch Widerstand noch mehr Wärme. Um die gesetzlichen Vorschriften einzuhalten, müssen sich die Automobilhersteller daher auf Technologien konzentrieren, die den Ladeanschluss eines Fahrzeugs auch beim Schnellladen unter 90° Celsius halten. 

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01-09-2022 | Im Fokus

Schnelleres Laden von Pkw und Nfz

Schnellladesysteme verkürzen die Standzeit an der Ladesäule und machen die Elektromobilität langstreckentauglich. Während der Netzausbau für Pkw schon in vollem Gange ist, wird derzeit mit Hochdruck an Standards für das Megawattladen schwerer Nutzfahrzeuge gearbeitet.

Aktive Kühlung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Wärmeentwicklung zu steuern. Besonders einfach und effektiv ist der "aktive Ansatz", sozusagen der Goldstandard für Kühl-Inlets, die an Schnellladestationen angeschlossen sind. Bei einem aktiven Kühlsystem ist eine Kühlplatte in der Nähe der Hochspannungsanschlüsse der Station angebracht. Von hier wird das Kühlmittel zu einem Wärmetauscher geleitet. Diese Anordnung ist in etwa vergleichbar mit dem Flüssigkeitskühlsystem eines Gaming-Computers.

Grundsätzlich funktioniert die aktive Kühlung gut. In von Aptiv durchgeführten Tests konnte der Temperaturanstieg des Ladeanschlusses an einer 500-A-Ladestation ohne zeitliches Limit auf ein akzeptables Maß begrenzt werden. Das bedeutet, dass sich ein 100-kWh-Batteriepaket mit 400 V theoretisch in nur 30 min auf 80 % der Kapazität aufladen ließe, wenn die besten am Markt verfügbaren DC-Schnellladegeräte mit 500 A verwendet würden. In naher Zukunft, wenn eine modernere Infrastruktur mindestens 750 A unterstützt und die Fahrzeuge mit einer 800-V-Architektur aufgerüstet werden, ließe sich diese Ladezeit auf etwa 10 min verkürzen. Aktiv gekühlte Inlets bieten dank gutem Wärmemanagement auch bei derart hohem Strom eine hervorragende Leistung.

Allerdings sind aktive Kühlsysteme teuer und kompliziert zu montieren und zu warten. Die Schläuche und Leitungen sind in einer Kühlschleife verlegt, die an der betroffenen Komponente befestigt ist. Hinzu kommt, dass die Kühlschleifen mit bis zu 70° Celsius recht heiß werden können. Das lässt wenig Spielraum für Geräte, deren Wärmeentwicklung 90° Celsius nicht übersteigen darf. Zum Ausgleich müssen die Hersteller unter Umständen größere Wärmetauscher einsetzen.

Passive Kühlung

Eine zweite Möglichkeit, die Wärmeentwicklung einzudämmen, ist die sogenannte passive Kühlung. Hier kommen spezielle Materialien und Komponentenformen zum Einsatz, um die Wärme ohne Verwendung beweglicher Teile abzuleiten. So vergrößert ein am Inlet angebrachter gerippter Kühlkörper die Oberfläche der beheizten Komponente und leitet die Wärme ab – ähnlich wie der Kühlkörper am Prozessor eines PCs. Das funktioniert mit besonders wärmeleitfähigen Stoffen, sogenannten Vergussmaterialien. Auch leitfähige Kunststoffe oder Phasenwechselmaterialien eignen sich dafür.

Wie Tests zeigen, ist der Effekt jedoch vergleichsweise gering: Eine Kombination aus passiven Kühltechniken kann die Temperatur der Inlet-Pins beim Laden mit 400 A nur um etwa 15° Celsius senken. Hinzu kommt, dass Vergussmaterial dazu neigt, nach dem Laden heiß zu bleiben. Da die Wärme keinen Platz hat, an den sie ausweichen kann, brauchen die Inlets Zeit, um abzukühlen. Auch leitfähige Kunststoffe verursachen erhebliche Mehrkosten, ohne die Temperaturen wesentlich zu senken. Darüber hinaus erschwert der Einsatz passiver Kühltechniken die Wartung. Wenn es ein Problem mit dem Inlet gibt, muss bei der Verwendung von Vergussmaterial der gesamte angeschlossene Kabelbaum ausgetauscht werden.

Gute Alternative: Stromschienen

Es gibt jedoch eine einfache Variante der passiven Kühltechnik: Anstelle von Rundkabeln werden Stromschienen, sogenannte Busbars, mit den DC-Ladeanschlüssen verbunden. Die massiven Metallschienen aus Kupfer- oder Aluminiumlegierungen kommen bei der Produktion von Elektroautos in verschiedenen Bereichen zum Einsatz – vor allem in Batterie-Packs sowie in Inlets und anderen Fahrzeugkomponenten mit hohem Leistungsbedarf.

Da die Stromschienen flacher und breiter als Kabel sind, eignen sie sich perfekt als Kühlkörper: Sie verteilen die Wärme über eine größere Oberfläche und leiten sie dann an die Luft ab. Dazu müssen sie aber nicht über die gesamte Länge der Verbindung zwischen Inlet und Batterie verlaufen. Für einen Teil der Strecke können auch ganz normale Kabel verwendet werden.

Schnell geladen

Mit Stromschienen anstelle von Standardkabeln lässt sich die Zeit erheblich verlängern, bis die Steckdose beim Schnellladen eine Temperatur von 90 °C erreicht. Das haben Tests von Aptiv ergeben. Bei 500 A kommt ein Inlet mit Stromschienen – je nachdem welche Bedingungen herrschen – etwa 2,5-mal später an die Temperaturgrenze als Anschlüsse mit runden Kabeln.

Letztlich führt eine längere kontinuierliche Ladedauer bei akzeptablen Temperaturen unter Verwendung einer Hochleistungsladestation dazu, dass sich die Batterien von E-Fahrzeugen schneller laden lassen. Damit ist die passive Kühltechnik mit Stromschienen die ideale Lösung für Elektroautohersteller, die nach schnelleren Lademethoden suchen, jedoch die Kosten und die komplizierte Installation für ein aktives Kühlsystem scheuen.

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