Relais für Wallboxen Das Laden von Elektrofahrzeugen wird cooler

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FAULHABER Antriebssysteme

Heitec AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Das Wärmemanagement ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Wallboxen: Größe, Form, Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit werden dadurch bestimmt. Fortschritte in der Relais-Technik tragen dazu bei, dass neue Komponenten unauffällig und einfach zu installieren sind und dabei gleichzeitig ein effizienteres Laden gewährleisten.

Die fortschreitende Elektrifizierung verspricht ein saubereres und energieeffizienteres Leben. Dabei treiben Verbraucher die Nachfrage nach kompakteren Geräten voran, die sich nahtlos und stilvoll ins Leben und die Wohnräume einfügen und gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit bieten. Diese Forderungen an kleinere, schlankere und schnellere Geräte gelten für alles, von Zubehör und Kleingeräten bis hin zu Netzteilen und Ladegeräten, einschließlich Ladegeräten für Elektrofahrzeuge (EVSE – electric vehicle service equipment).

Leistungsstarke Wallboxen zum Laden von Elektroautos sind in Haushalten und Unternehmen heute immer häufiger zu finden. Diese unterstützen das Laden nach Mode 3, der integrierte Steuer- und Schutzfunktionen vorschreibt, und laden ein Elektrofahrzeug mit bis zu 22 kW dreiphasig aus dem Wechselstromnetz.

Derartige Wallboxen bieten einen bequemen Zugang zu sicherem Laden, der Ladevorgang kann über Nacht oder während des Arbeitstages erfolgen. Zudem tragen sie dazu bei, Bedenken hinsichtlich der Ladezeit und der Reichweite zu zerstreuen, die oft als Hauptgründe für die Zurückhaltung der Autofahrer bei der Nutzung von E-Fahrzeugen im Alltag genannt werden.

Wallboxen: Warum ein effizientes Wärmemanagement nötig ist

Auf der anderen Seite werden Größe und Ästhetik zu einem wichtigen Unterscheidungsmerkmal zwischen den Herstellern. Die Integration der Leistungselektronik in ein möglichst kleines Gehäuse bringt jedoch Herausforderungen beim Wärmemanagement. Daher ist ein effizientes Wärmemanagement wichtig, um die langfristige Zuverlässigkeit des EVSE und die Sicherheit bei der Nutzung zu gewährleisten.

Wallboxen dieser Art werden entweder im Dauereinsatz betrieben oder es werden vor allem am Arbeitsplatz mehrere Fahrzeuge in schneller Folge angeschlossen. Das führt dazu, dass die Wallboxen zwischen den Ladevorgängen kaum oder gar nicht abkühlen. Bei direkter Sonneneinstrahlung kann deren Innentemperatur leicht 70 bis 80˚C erreichen und innerhalb von ein paar Stunden um 50 bis 60˚C schwanken.

Drosseln Ladegeräte über Temperatursensoren den Ladestrom bei Übertemperatur, bedeutet dies für den Endnutzer langsamere Ladezeiten und damit weniger Komfort. An einem besonders heißen Tag oder wenn die Wallbox durch einen Defekt überhitzt ist, kann es sein, dass das Ladegerät überhaupt nicht funktioniert.

Selbsterwärmungseffekte in Wallboxen

Innerhalb der Wallbox kommt es bei Widerständen, Leistungstransistoren, Spulen, Transformatoren, Kabeln und Steckverbindern zu einer Selbsterwärmung aufgrund der entstehenden Verlustleistung, die mit dem Quadrat des fließenden Stroms (I²R) zunimmt.

Ein überraschend hoher Anteil der I²R-bedingten Wärmeentwicklung in einer Wallbox steht im Zusammenhang mit dem Kontaktwiderstand des Hauptschaltgeräts, in der Regel ein elektromechanisches Relais oder ein Schütz. Im Gegensatz zu Leistungstransistoren, die parallel geschaltet werden können, um den Laststrom zu verteilen, ist die Parallelschaltung von elektromechanischen Schaltern unpraktisch.

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Da der gesamte Laststrom durch das Relais fließen muss, erwärmt sich der Kontakt beim Schließen erheblich. Eine Erhöhung des Kontaktwiderstands um nur ein Milliohm kann einen Temperaturanstieg an der Last um bis zu 18˚C bewirken (Referenzbedingungen für die thermische Simulation: 32-A-Strombelastung an drei Lastanschlüssen. T_Umgebung = 85℃. Evaluierungsboard: 2 Lagen mit 10 mm breiten und 0,3 mm tiefen Kupferbahnen.)

Eine übermäßige Wärmeabgabe innerhalb des Gehäuses ist unerwünscht und steht zudem einer schlankeren und kompakteren Bauweise der Wallbox entgegen. Ein kleines Gehäuse hat eine geringere Oberfläche, über die Wärme abgegeben werden kann, sodass es zu einem höheren Temperaturanstieg kommt. Darüber hinaus kann eine dichtere Anordnung der Komponenten auf engem Raum den Luftstrom einschränken und zu lokalen Hotspots führen.

In vielen Fällen ist ein zusätzliches Wärmemanagement mit Kühlkörpern, verstärkter Belüftung oder aktiver Lüfterkühlung notwendig. Dies erhöht jedoch die Kosten und die Komplexität der Wallbox. Darüber hinaus kann ein Lüfter laut sein und die Gesamtzuverlässigkeit beeinträchtigen.

Wallboxen: Relais-Evolution in punkto Wärmeentwicklung

Die Reduktion der von den elektrischen Komponenten, einschließlich der Relaiskontakte, ausgehenden Wärmebelastung, kann diese Sackgasse durchbrechen und dem Entwickler einen größeren Handlungsspielraum bei der Verkleinerung der Wallbox verschaffen. Fortschritte auf dem Gebiet der Relaiskonstruktion haben zu kompakten neuen Leiterplatten-Relais geführt, die eine hohe Strombelastbarkeit mit einem niedrigen Kontaktwiderstand kombinieren, was zu einer geringeren Verlustleistung und einem reduzierten Temperaturanstieg führt.

In der Vergangenheit waren Leiterplattenrelais für Anwendungen bis etwa 25 A geeignet. Für höhere Ströme wurden oft Schütze verwendet, die mit Schraubklemmen auf externe DIN-Schienen montiert wurden. Aktuelle Leiterplattenrelais kommen mit neuartigen Funktionen, mit denen sie Stromstärken deutlich über 25 A handhaben können. Damit ersetzen sie herkömmliche Schütze beispielsweise in leistungsstarken Industriesystemen und Stromversorgungen.

Neue Hochleistungsrelais für Wallboxen

Zu diesen neuen Hochleistungsrelais gehört die Serie G9KC von Omron mit einem garantierten Anfangskontaktwiderstand von weniger als 6 Milliohm –etwa die Hälfte des Widerstands vergleichbarer Lösungen auf dem Markt. Es ist speziell für den Einsatz in AC-Wallboxen optimiert. Der extrem niedrige Widerstand bei Volllast (32 A pro Phase) verbessert nicht nur die Effizienz und Leistung des Ladevorgangs, sondern reduziert auch die durch den Stromfluss verursachten Hotspots und damit die Wahrscheinlichkeit einer Stromdrosselung.

Die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Relais selbst sowie der umliegenden Komponenten werden ebenfalls verbessert. Entscheidend ist, dass das Relais während seiner gesamten Lebensdauer einen niedrigen Kontaktwiderstand beibehält. Dies ist besonders wichtig, da Wallboxen in der Regel mehrere Jahre oder länger in Betrieb bleiben sollen.

Das Herzstück des G9KC ist ein speziell entwickelter, mechanisch gekoppelter Doppelunterbrecher-Kontakt, der dank einer verbesserten Kontaktbauweise (einer sogenannten Cradle-Struktur) eine erstklassige Lebensdauer bietet. Diese Struktur erhöht die Energieeffizienz und reduziert gleichzeitig die Wärmeabgabe. Infolgedessen lassen sich die Betriebstemperaturen in einer typischen 22-kW-32-A-Wallbox bei guter Auslegung des Ladegeräts um bis zu 10˚C senken. Dies erlaubt nicht nur ein schnelleres und effizienteres Laden, sondern eröffnet Entwicklern von Wallboxen auch neue Möglichkeiten für kompaktere und robustere Bauweisen.

Mit einem Abstand der Hauptkontakte von 4 mm und einer Kurzschlussfestigkeit von 10 kA, geprüft nach IEC62955 (TÜV-geprüft), übertrifft das Relais die Anforderungen der kommenden Norm für leitungsgebundene Ladesysteme für Elektrofahrzeuge IEC 61851 ED4. Darüber hinaus kann das Relais mit seiner kompakten 4-poligen Struktur größere mehrpolige Schütze oder bis zu vier einzelne einpolige Relais ersetzen.

Komfort und Sicherheit beim Laden

Während Mode-3-Ladegeräte Komfort und Sicherheit bieten, um der Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu begegnen, muss die Ladeinfrastruktur weiter verbessert werden, um dem schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge gerecht zu werden. Durch den Einsatz thermisch effizienterer Komponenten lassen sich zusätzliche Funktionen hinzufügen, wie zusätzliche Sensoren zur Überwachung der Ladegeschwindigkeit. Anderweitige Neuentwicklungen könnten das kabellose Laden umfassen.

Auf der anderen Seite bleibt das Wärmemanagement eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Wallboxen. Aktuelle Entwicklungen in der Relais-Technik tragen dazu bei, dass neue Komponenten unauffällig und einfach zu installieren sind und gleichzeitig ein effizienteres Laden gewährleisten. (kr)

* Steve Drumm ist Strategic Marketing Manager – Solutions in Energy bei OMRON Electronic Components Europe B.V. in Hoofddoorp / Niederlande.

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