Es gibt viele Gründe, warum sich Bauteile beim Laden eines Elektrofahrzeugs erhitzen. Wenn diese Bauteile die zulässigen Temperaturen überschreiten, ist es wichtig, den Strom zu stoppen, bevor sie beschädigt werden.

Selbst im Normalbetrieb erzeugen Ladegeräte für Elektrofahrzeuge Wärme. Wenn Bauteile die zulässige Temperatur überschreiten, schaltet der Temperaturschutz das Ladegerät ab. Im normalen Betrieb sorgen Kühlkörper und Lüfter für Kühlung, aber unter ungünstigen Bedingungen kann es zu einer starken Wärmeentwicklung kommen. Dabei sind sowohl der Auslösepunkt bei Übertemperatur als auch die Anordnung der Sensoren so konzipiert, dass Schäden am Ladegerät oder Brände vermieden werden. Nach Abkühlung des Ladegeräts erfolgt ein automatischer Reset. Doch die korrekte Ermittlung der Temperatur hilft nicht nur zu der Vermeidung von Schäden und Bränden, sondern trägt auch dazu bei, den Betrieb des Kühlsystems zu optimieren.

Bei elektrischen Ladesystemen für Elektrofahrzeuge gibt es drei Faktoren, die eine gute Steuerung der Temperatur erschweren. Erstens besitzen solche Ladegeräte eine hohe Ausgangsleistung, die proportional zur Ladegeschwindigkeit ansteigt. Zweitens sind sie ziemlich kompakt. Das bringt immer besondere Herausforderungen in puncto Wärmeableitung mit sich. Aufgrund des begrenzten Platzes sind ein gutes thermisches Design und ein sehr effektives Wärmemanagement erforderlich. Drittens werden diese Ladegeräte in rauen Umgebungen und unter extremen Bedingungen betrieben. Sicherheit und Langlebigkeit sind hier die wichtigsten Aspekte.

Auslegung von Steckern und Kabeln

In der Europäischen Union ist der Typ-2-Anschluss der Standardstecker für das Laden mit Wechsel- und Drehstrom. Für das elektrische Laden mit Gleichstrom ist das System CCS (Combined Charging System) am weitesten verbreitet, aber auch das japanische ChaDeMo-Stecksystem und das Supercharger-System von Tesla (NACS) sind weit verbreitet.

Da Fahrzeugsteckverbinder für das Laden mit Gleichstrom gemäß IEC 62196-3:2014 Ed.1 nur für Ströme bis 200 A ausgelegt sind, decken sie den Bedarf der künftigen Ladeinfrastruktur noch nicht ausreichend ab. Eine neuere Version des Standards unterstützt daher Ströme von bis zu 500 A. Für solch hohe Ströme sind jedoch entweder große Kabelquerschnitte erforderlich, was zu schweren und steifen Kabeln führt, oder es ist eine Kühlung nötig, wenn dünnere Kabel gewünscht sind. Zudem führt der Durchgangswiderstand zu einer höheren Wärmeentwicklung. Zur Bewältigung dieser technischen Probleme beschreibt der Standard IEC TS 62196-3-1 die Anforderungen an Gleichstrom-Hochleistungssteckverbinder, inklusive Wärmeerkennung, Kühlung und eine Silberbeschichtung der Kontakte. Die deutsche Charging Interface Initiative e.V. (CharIN) forscht an Versionen über 2 MW für Elektro-LKWs. Die Geräte werden derzeit getestet.

Den NACS-Stecker gibt es in zwei verschiedenen Bauformen, wobei eine Version bis 500 V ausgelegt ist. Die andere Version unterstützt bis zu 1000 V und ist mit der ersten rückwärtskompatibel. Das NACS-System legt keinen maximalen Strom fest. Solange die Temperatur an der Schnittstelle des Steckverbinders +105 °C nicht überschreitet, ist jeder Strom zulässig. Tesla zufolge wurde der Steckverbinder schon ununterbrochen mit mehr als 900 A betrieben. Die aktuelle Version 3 des Tesla Supercharger liefert bis zu 250 kW.

Bei Nutzung von Wechselstrom kann das NACS-System bis zu 80 A bei 277 V liefern. In einer gängigen Bauform liefert NACS jedoch bis zu 48 A bei 240 V, d. h. 11,5 kW. Der NACS-Steckverbinder verfügt über eine Taste oben in der Mitte des Griffs. Beim Drücken der Taste wird ein UHF-Signal ausgesendet. Wenn der Steckverbinder verriegelt wird, erfolgt ein Befehl an das Fahrzeug, die Verriegelung, die den Steckverbinder an seinem Platz hält, zurückzufahren. Wenn der Steckverbinder nicht verriegelt ist, gibt das Signal dem in der Nähe befindlichen Fahrzeug den Befehl, die Klappe zu öffnen, die den Anschluss verdeckt.

Absicherung der Ladegeräte

Wie bereits erläutert, verlangen die hohen Ströme, die durch dünne Kabel und kleine Steckverbinder fließen, ein gutes Wärmemanagement. Es gibt verschiedene Mittel, um den Ein- oder Ausgang und das Kabel zu kühlen, aber in jedem Fall muss der Ladevorgang entweder gestoppt oder verlangsamt werden, wenn bestimmte Grenzwerte erreicht werden.

Die Mini-Bauteile zur thermischen Abschaltung („Thermal Cutoff Devices“, TCO) oder „Mini-Schalter“ können hier ihre Stärken ausspielen. Die rückstellbaren Mini-Schaltgeräte AD und SD von Bourns bieten fortschrittliche Technologien zum Schutz vor Übertemperaturen. Bei diesen TCOs kommt ein hochwertiger, korrosionsbeständiger Bimetallmechanismus zum Einsatz, der für eine hohe Beständigkeit in feuchten Umgebungen sorgt. Die SD- und AD-TCO-Bauteile sind entweder nicht automatisch rückstellbar (Selbsthaltefunktion) oder automatisch rückstellbar (Nicht-Selbsthaltefunktion). Diese TCO-Bauteile verfügen über einen Übertemperaturschutz und gewährleisten bis zu den Nennwerten eine praktisch sofortige Kontrolle von abnormaler, übermäßiger Temperatur.

Die SD- und AD-TCO-Bauteile arbeiten mit einem maximalen Widerstand von 4 mΩ und einem Betriebstemperaturbereich von 55 °C bis 150 °C mit einer Toleranz von ±5 °C. Ein im Ladesystem integrierter Mini-Schalter kann Temperaturänderungen in einem Bereich von ±5 °C erkennen.

Sobald ein Mini-Schalter auslöst, erfolgt eine Änderung des Widerstands von ~2 mΩ in einen offenen Stromkreis. Dadurch kann das Ladesystem sofort eingreifen und die elektrische Ladung beenden. Für diese kostengünstige Lösung ist kaum Programmierung erforderlich, und sie erspart eine hohe Komplexität in den Steckersystemen zum Laden von Elektrofahrzeugen.

Diese Lösung ist zwar nicht sehr komplex, aber sie ermöglicht sogar ein schrittweises Ansprechverhalten. So lassen sich einfach zwei Mini-Schalter in einer Leitung integrieren, die auf unterschiedliche Auslösetemperaturen eingestellt werden. Der erste wird auf eine niedrigere Temperatur eingestellt ist und gibt eine Warnung aus, sodass der Regler die elektrische Ladung reduziert. Wenn dies nicht ausreicht und die Temperatur weiter ansteigt, löst der zweite aus und der Ladevorgang wird vollständig gestoppt, bis wieder sichere Bedingungen herrschen.

Fazit

Die Verwendung von thermischen Bauteilen ist bei Weitem nicht so komplex wie der Einsatz von NTCs in Verbindung mit ICs, aber dennoch erfüllen sie ihren Zweck. Dank ihrer kleinen Abmessungen lassen sie sich leicht in Systeme mit sehr begrenzten Platzverhältnissen, wie beispielsweise Ladestationen, integrieren.