Ladetechnologien Wie Flüssigkeitskühlung das Laden von Elektroautos beschleunigt

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Elektroautos sind derzeit zwar voll im Trend, aber lange Ladezeiten schrecken viele potenzielle E-Fahrer ab. Mit Flüssigkeitskühlung ließe sich die Ladedauer allerdings deutlich verkürzen.

Elektrofahrzeuge nehmen den traditionellen Benzinfahrzeugen langsam Marktanteile ab, aber werden sie vom Markt schließlich voll akzeptiert werden und ausreichend an Popularität gewinnen? Neben der Herausforderung, den Autokäufern die Reichweitenangst zu nehmen, liegt der eigentliche Schlüssel zum Erfolg der Elektromobilität darin, die Ladezeit auf das Niveau herkömmlicher Benzinfahrzeuge zu verkürzen.

Vor allem werden Elektrofahrzeuge durch die Materialprobleme bei Akkus und die Kapazität der Ladestationen limitiert. Derzeit beträgt die Betankungszeit für ein herkömmliches benzinbetriebenes Fahrzeug etwa fünf Minuten, während die Ladezeit für elektrische Fahrzeuge heutzutage 20 Minuten oder mehr beträgt. Bei den Ansätzen zur Verkürzung der Ladezeit stehen zwei Fragen im Zentrum: „Welche Kapazität benötigt ein Ladesystem?“ und „Wie viel Wärmeverlust entsteht bei einer großen Ladestation?“.

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Ausgehend von einem durchschnittlichen E-Fahrzeug wäre für eine Strecke von 500 km eine Akkukapazität von mindestens 100 kWh erforderlich. Damit der Akku innerhalb von zehn Minuten vollständig aufgeladen werden kann, wäre im Idealfall ein 600-kW-System erforderlich (natürlich gibt es noch technische Probleme bei Akkus und Ladegeräten, die gelöst werden müssen). Derzeit liegt der Wirkungsgrad von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge bei etwa 95 Prozent, was einen Energieverlust von fünf Prozent bedeutet. Ein Ladesystem mit 600 kW würde einen Energieverlust von 30 kW verursachen. Um das Problem der Wärmeableitung zu lösen, wird traditionell ein Ventilator zur Wärmeableitung eingesetzt. Bei der hohen Wärmeentwicklung eines 600-kW-Systems müsste ein größerer Lüfter oder eine höhere Lüfterdrehzahl eingesetzt werden, um das Problem der Wärmeableitung zu lösen, was wiederum zu Geräuschproblemen und einer geringeren Zuverlässigkeit führen würde. Daher sollte die optimale Lösung für die Wärmeableitung bei Ladesystemen von 300 kW oder mehr die Flüssigkeitskühlung sein: Diese hält die Temperaturstabilität aufrecht, reduziert die Geräuschentwicklung und verbessert die Zuverlässigkeit des Produkts.

Thermische Simulation zur effizienten Kühlung

Ein 30-kW-Flüssigkeitskühlungsmodul stellt sicher, dass die Temperatur der elektrischen Komponenten den Standardgrenzwert nicht überschreitet. Darüber hinaus werden die Verlustleistungsdaten der elektronischen Komponenten über Temperatursimulationen entsprechend den in der Schaltung verwendeten Komponenten berechnet. Bei der Temperatursimulation dieses Flüssigkühlungsmoduls spielen mehrere Komponenten eine Rolle:

• Ein Wärmeableitungsmodul, das aus einer Kombination von flüssigem Frostschutzmittel und einem Wärmemodul aus einer Aluminiumlegierung besteht.

• Induktive Komponenten, die im Bereich der Aluminiumlegierung untergebracht sind. Als thermische Füllung wird ein hoch wärmeleitfähiger Verguss verwendet.

Für eine ausreichende allgemeine Kühlwirkung bei verschiedenen Durchflussraten wird bei einer Einlasstemperatur von 60 °C die Umgebungstemperatur ebenfalls auf 60 °C eingestellt.

Der Durchmesser des Wasserdurchlasses beträgt 10 mm. Um die Temperatur des SiC-MOSFET und der Drossel unter der Sicherheitsgrenze zu halten, muss der Einlassdurchfluss des Moduls über 2,0 Liter pro Minute liegen.

Einsatzmöglichkeiten von flüssigkeitsgekühlten Ladesystemen

Ein 30-kW-DC-Modul kann mit einem AC/DC-PFC-Modul mit Flüssigkeitskühlung kombiniert werden, um so ein DC-Schnellladesystem zu bilden. Zerova beispielsweise setzt zwölf 30-kW-Module, zu einem 360-kW-Ladesystem mit Flüssigkeitskühlung zusammen. In diesem werden ein Wassertank und eine Pumpe verwendet, um einen Wasserkreislauf in der Wasserleitung zu bilden. Kaltes Wasser wird in das Leistungsmodul gepumpt, das Wasser nimmt Wärme auf und fließt dann ab. In der Zwischenzeit kühlt der Kühlkörper das heiße Wasser ab und pumpt es in den Wassertank, um es dort zu speichern. Auf diese Weise kann der Wasserkreislauf das heiße Wasser auch in eine größere Entfernung leiten, zum Beispiel auf ein Dach oder an andere Orte, an denen das Wasser gekühlt werden kann – gleichzeitig wird Lärm vermieden.

Ein 30-kW-Gleichstrommodul mit Flüssigkeitskühlung kann auch in ein bidirektionales Energiespeichersystem umgewandelt werden, das mit einem Akkusystem beladen werden und Energie an das Stromnetz abgeben kann.

Flüssigkeitskühlung: der entscheidende Schritt zur Hochgeschwindigkeits-Ladetechnologie

Die Technologie der Flüssigkeitskühlung ist in vielen Anwendungen weit verbreitet, zum Beispiel bei Ladesystemen, Gaming-Computern oder elektrifizierten Baumaschinen. Die Flüssigkeitskühlung ist der Schlüssel, um das Problem der Wärmeableitung zu lösen und wird es ermöglichen, die Leistung von Ladesäulen stark zu erhöhen.

Auch erleichtert sie es, IP-Schutzklassen leichter zu erreichen. Dadurch, dass keine Öffnungen für Lüfter eingebaut werden müssen, ist es einfacher, Ladesäulen wasserdicht zu bauen – eine Voraussetzung für die Erfüllung der Schutzklasse IP66. Schließlich ist die Lärmreduktion, durch die fehlenden Lüfter, nicht zu unterschätzen und kann dabei helfen, die Benutzung von Ladesäulen angenehmer zu gestalten. All diese Vorteile machen die Flüssigkeitskühlung zu einem wichtigen Faktor für eine erhöhte Akzeptanz von Ladesäulen und damit schlussendlich der Elektromobilität. (tk)

* Patrik Ott ist Vice President Business Development bei Zerova.

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