Elektrofahrzeuge (EVs) gibt es schon so lange wie solche mit Verbrennermotoren, aber erst in den letzten Jahren sehen wir deutliche Fortschritte dabei, das sie herkömmliche Fahrzeuge zunehmend ersetzen. Es gibt Bestrebungen, Elektrofahrzeuge so schnell wie möglich zu den vorherrschenden Transportmitteln auf unseren Straßen zu machen. Die EU hat ausdrücklich ein Verbot von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bis 2035 angeordnet und unterstreicht damit, wie ernst es ihr mit dieser Absicht ist. Angesichts der großen Fortschritte bei der Elektrofahrzeugtechnologie und der erheblichen staatlichen Unterstützung dafür wird allgemein erwartet, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen stark ansteigen wird. Wenn Elektrofahrzeuge zum vorherrschenden Transportmittel werden, haben Verbesserungen bei Batteriereichweiten und Ladegeschwindigkeiten höchste Bedeutung für die gesamte Weltwirtschaft. Die Weiterentwicklung der Ladesystemtechnologie für Elektrofahrzeuge erfordert auch Fortschritte in verschiedenen anderen Bereichen, darunter beim Wärmemanagement.
Wechselstrom- vs. Gleichstrom-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge
Im Zuge des zunehmenden Bedarfs an schnelleren Ladegeräten haben sich einige deutliche Änderungen bei den diesbezüglichen Konzepten ergeben. Eine wesentliche Änderung dabei ist der Trend hin zu Gleichstrom-Ladegeräten. Während alle Batteriesysteme mit Gleichstrom betrieben werden, liegt der Hauptunterschied darin, wo die Umrichtung von Wechselstrom zu Gleichstrom erfolgt. Herkömmliche Wechselstrom-Ladegeräte, die üblicherweise in privaten oder gewerblichen Umgebungen eingesetzt werden, dienen als Steckverbinder, die den Wechselstromfluss zum Fahrzeug regulieren und nachverfolgen, dann aber die Umrichtung an Bord des Elektrofahrzeugs selbst ermöglichen. Gleichstrom-Ladegeräte hingegen führen die Umrichtung extern in einem stationären Ladegerät durch und liefern Hochspannungsgleichstrom direkt an das Fahrzeug. Dieser Wandel beseitigt viele Einschränkungen bei Gewicht und Größe dadurch, dass die Hardware für die Energiekonditionierung außerhalb des Elektrofahrzeugs platziert wird und die Ladeschaltkreise weder mobil, noch integrale Bestandteile des Fahrzeugs sind.
Abbildung 1: Gleichstrom-Ladegeräte sind deutlich schneller, aber komplexer und erzeugen mehr Wärme (Bildquelle: CUI Devices)
Da diese Einschränkungen entfallen, können Gleichstrom-Ladegeräte komplexer sein, mehr und größere Komponenten nutzen und allgemein höheren Stromdurchsatz und Betriebsspannung bieten. Allerdings erzeugen diese Ladegeräte, die größere Strommengen verarbeiten, sehr viel Wärme. Während Filter und Widerstände zur Wärmeerzeugung beitragen, ist der primäre Wärmeableiter in Ladesystemen für Elektrofahrzeuge der Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), ein Halbleiterbauelement, das in den letzten Jahrzehnten zunehmend verwendet wird. Die effektive Kühlung von IGBTs stellt für Ladesysteme für Elektrofahrzeuge eine erhebliche Herausforderung dar.
Halbleiter-Wärmeerzeuger und Wärmemanagementlösungen
IGBTs, Hybridkonstruktionen aus Field Effect Transistor (FET) und Bipolar Junction Transistor (BJT), werden in Hochenergieanwendungen wie Ladegeräten für Elektrofahrzeuge stark bevorzugt. Aufgrund seiner Konstruktion ist ein IGBT in der Lage, hohen Spannungen standzuhalten und gleichzeitig einen niedrigen Einschaltwiderstand, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und eine bemerkenswerte thermische Robustheit zu bieten. Obwohl IGBTs hohen Temperaturen von 170 Grad Celsius standhalten, während die meisten modernen Verarbeitungseinheiten (CPUs) nur bis 105 Grad Celsius geeignet sind, können sie ohne ausreichende Kühlung immer noch schnell mehr als 170 Grad Celsius erreichen. Ihr Einsatz in den meisten Ladeschaltkreisen erfordert häufiges Schalten der IGBTs, wodurch sehr viel Wärme entsteht. Tatsächlich basiert die thermische Herausforderung aus dem exponentiellen Anstieg der Wärmeableitung von IGBTs, von 1,2 kW vor drei Jahrzehnten auf gegenwärtig 12,5 kW, wobei noch weitere Steigerungen erwartet werden. Wie Sie in dieser Grafik sehen können, ist die Leistung pro Quadratzentimeter Oberfläche sehr deutlich angestiegen, was sich am besten mit der vergleichsweise geringen Leistung moderner Verarbeitungseinheiten (CPUs) von 0,18 kW oder nur 7 kW pro Quadratzentimeter vergleichen lässt.
Abbildung 2: Die Energiedichte von IGBTs hat sprunghaft zugenommen (Bildquelle: CUI Devices)
Die effektive Kühlung von IGBTs wird von zwei Faktoren unterstützt: ihrer größeren Oberfläche und ihrer Fähigkeit zum Betrieb bei höheren Temperaturen. Die größere Oberfläche macht sie besser für eine der zuverlässigsten Wärmemanagementlösungen geeignet, die derzeit verfügbar sind: eine Kombination aus Kühlkörpern und erzwungener Luftkühlung. Kühlkörper verringern den thermischen Widerstand zwischen dem IGBT und der Umgebungsluft erheblich, während die von einem Lüfter bereitgestellte Luft im Gegensatz zur natürlichen Konvektion den thermischen Widerstand noch weiter reduziert. In manchen Fällen wird auch eine Flüssigkeitskühlung in Betracht gezogen, und obwohl mit damit noch niedrigere thermische Widerstandswerte erreicht werden können, ist aufgrund der dabei höheren Kosten und Komplexität eine direkte Kühlung mit Kühlkörpern und Lüftern eher praktikabel. Der Großteil der aktiven Forschung von Wärmemanagement-Ingenieuren konzentriert sich auf die Verbesserung der Luftkühlungstechnologien für IGBTs. Tatsächlich haben wir bei CUI Devices Kühlkörper mit Ausmaßen von bis zu 950 x 350 x 75 mm entwickelt, die speziell dazu geeignet sind, den thermischen Herausforderungen von Ladeanwendungen für Elektrofahrzeuge zu begegnen.
Abbildung 3: Kühlkörper und Lüfter sind effektive Wärmemanagementlösungen für IGBTs (Bildquelle: CUI Devices)
Platzierung von Komponenten und thermischer Überwachung
Effiziente Kühlsysteme basieren auf der strategischen Platzierung der Komponenten zur Optimierung des Luftstroms und zu Maximierung der Luftverteilung. Unzureichender Abstand zwischen den Komponenten schränkt den Luftstrom ein und begrenzt die Größe der verwendbaren Kühlkörper. Daher müssen kritische wärmeerzeugende Komponenten innerhalb des Systems strategisch so positioniert werden, dass eine effiziente Gesamtkühlung ermöglicht wird. Zwar ist die Konzentration auf die zentralen wärmeerzeugenden Komponenten wichtig, für die Analyse muss jedoch das gesamte System betrachtet werden, insbesondere da viele unterstützende Halbleitergeräte sehr hohen Temperaturen nicht so gut standhalten können wie IGBTs.
Ebenso gilt, dass die Platzierung thermischer Sensoren für ein effektives Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist. In großen Systemen wie Gleichstrom-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge wird eine Temperaturüberwachung in Echtzeit dringend empfohlen, da sie ein aktives Wärmemanagement ermöglicht. Automatische Anpassungen von Kühlmechanismen wie der Lüftergeschwindigkeit oder sogar die Begrenzung der Ausgangsleistung des Ladegeräts basieren sämtlich auf Temperaturmesswerten, die die Leistung optimieren und Überhitzung verhindern. Die Genauigkeit solcher Anpassungen hängt jedoch von der Qualität der Eingabedaten von korrekt platzierten Temperatursensoren ab.
Externe Faktoren und Umweltaspekte
On-the-Go-Ladestationen für Elektrofahrzeuge sind oft im Freien installiert und müssen daher mit verschiedenen Umgebungsbedingungen zurecht kommen. Um Ladestationen vor widrigen thermischen Bedingungen zu schützen, sind wetterfeste Gehäuse mit ausreichender Belüftung für eine optimale Kühlung und gleichzeitigem Schutz gegen Regen und extreme Temperaturen unerlässlich. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Erwärmung durch Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse des Ladegeräts. Dies stellt ein erhebliches Problem dar, da dadurch die Innentemperaturen deutlich erhöht werden. Glücklicherweise kann eine wirksame Beschattung mit ausreichender Luftzirkulation zwischen Schattenvorrichtung und Ladegerät die Umgebungstemperatur des Ladegeräts deutlich senken, was eine relativ einfache Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist.
Abbildung 4: Der Schutz von Ladegeräten gegen direkte Sonneneinstrahlung ist eine kostengünstige und effektive Möglichkeit zur Temperaturkontrolle (Bildquelle: CUI Devices)
Was die Zukunft bringen wird
In den letzten Jahren nahm die Nutzung von Elektrofahrzeugen weltweit sehr stark zu, und im Zuge weiterer technologischer Fortschritte steigt die Nachfrage weiterhin an. Da Elektrofahrzeuge immer häufiger auf Straßen zu finden sind, ist ein damit einhergehender Ausbau der Ladeinfrastruktur unvermeidlich. Wie die Vergangenheit gezeigt hat, sind angemessene Vorabinvestitionen in die Infrastruktur sehr wichtig, da es schwierig sein kann, diese Infrastruktur in der Zukunft zu aktualisieren. Es wird nicht nur die Zunahme der Anzahl an Elektrofahrzeugen und Ladegeräten erwartet, sondern auch eine kontinuierliche Verbesserung der ihnen zugrunde liegenden Technologien. Angesichts möglicher Steigerungen bei Ladeleistung und -kapazität, sich weiterentwickelnder Software- und Hardwarestandards und der Erfordernis, unvorhergesehene Änderungen zu antizipieren, müssen sich Wärmemanagementsysteme im Laufe der Zeit an sich ändernde Anforderungen anpassen. Die sorgfältige Konstruktion hochwertiger, effektiver, einfach aktualisierbarer und energieeffizienter Ladegeräte sorgt nicht für heute, sondern für viele Jahre in die Zukunft für tragbare Lösungen für die EV-Ladeinfrastruktur.
Für Ladegeräte für Elektrofahrzeuge gelten ähnliche grundlegende Probleme mit dem Wärmemanagement wie bei anderen elektronischen Geräten mit hoher Leistung auch. Die hohe Leistungsdichte von IGBTs und die steigenden Anforderungen an sie stellen besondere Herausforderungen dar. Da Ladegeschwindigkeiten und Batteriekapazitäten weiter steigen, wächst gleichzeitig der Bedarf an effektiven und sicheren Ladegerätdesigns, was Elektrotechnik- und Wärmemanagement-Ingenieure kontinuierlich zu Innovationen zwingt. Das Angebot von Wärmemanagementkomponenten und branchenführenden Thermodesignservices von CUI Devices hilft dabei, diesen Herausforderungen direkt zu begegnen!