Elektrofahrzeuge gibt es schon so lange wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, aber erst seit Kurzem sind sie in der breiten Masse angekommen. Dank großer technologischer Fortschritte bei Elektrofahrzeugen und umfangreicher staatlicher Unterstützung ist die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in die Höhe geschossen. Das EU-Verbot von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ab 2035[endnoteRef:2] und die Vorgabe, bis 2025 alle 60 Kilometer Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge einzurichten[endnoteRef:3], unterstreichen diesen erwarteten Anstieg der Nachfrage. Da Elektrofahrzeuge zum Haupttransportmittel werden, sind die Reichweite der Batterien und ein schnelleres Laden für das Funktionieren der Weltwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Um diese Ladesysteme für Elektrofahrzeuge zu verbessern, sind technologische Fortschritte in verschiedenen Bereichen erforderlich, insbesondere im Bereich des Wärmemanagements.[i][ii]

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge gab es verschiedene kleinere und größere Änderungen bei der Konzeption der Ladestationen. Eine wichtige Entwicklung geht in Richtung DC-Ladegeräte. Obwohl alle Batteriesysteme Gleichstrom (DC) verwenden, liegt der Hauptunterschied bei diesen Systemen im Ort, an dem die Gleichrichtung von Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC) erfolgt. Herkömmliche AC-Ladegeräte werden häufig in Wohngebieten eingesetzt und dienen in erster Linie als Verbindungselemente, die den AC-Stromfluss zum Fahrzeug kommunizieren, filtern und steuern. Dort wird der Strom dann von einem bordeigenen DC-Ladegerät gleichgerichtet und die Batterien geladen. Im Gegensatz dazu führen DC-Ladegeräte den Gleichrichtungsprozess extern durch und laden das Fahrzeug dann mit Hochspannungsgleichstrom. Der Hauptvorteil von DC-Ladegeräten besteht darin, dass viele Gewichts- und Größenbeschränkungen entfallen, da die Hardware zur Aufbereitung des Stroms aus dem Elektrofahrzeug in eine externe Struktur verlagert wird.

Durch den Wegfall von Gewichts- und Größenbeschränkungen können DC-Ladegeräte zusätzliche Komponenten enthalten, um sowohl den Stromdurchsatz als auch die Betriebsspannung zu erhöhen. Bei diesen Ladegeräten kommen für die Leistungsgleichrichtung fortschrittliche Halbleiter-Bauteile zum Einsatz, die zusammen mit Filtern und Leistungswiderständen erhebliche Wärme erzeugen. Auch wenn die Filter und Widerstände zur Wärmeerzeugung beitragen, sind Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Transistors, IGBTs) die Hauptwärmequelle in einem Ladesystem für Elektrofahrzeuge. Diese Halbleiter-Bauteile haben sich in den letzten Jahrzehnten immer stärker durchgesetzt. Dadurch haben sich zahlreiche Möglichkeiten im Bereich der Ladetechnik ergeben, doch die effektive Kühlung bleibt ein kritischer Faktor.

Ein IGBT kombiniert die Merkmale eines Feldeffekttransistors (FET) und eines Bipolartransistors (BJT). Durch seine Fähigkeit, mit hohen Spannungen, niedrigem Einschaltwiderstand, schnellen Schaltgeschwindigkeiten und beeindruckender thermischer Robustheit umzugehen, eignet er sich ideal für Hochleistungsanwendungen wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. In diesen Ladeschaltungen fungieren IGBTs als Gleichrichter oder Wechselrichter, die häufig ein- und ausgeschaltet werden und dabei erhebliche Wärme erzeugen.

Die aktuelle thermische Herausforderung ist die erhebliche Zunahme der Wärmeabgabe von IGBTs, die sich von 1,2 kW vor dreißig Jahren auf heute 12,5 kW mehr als verzehnfacht hat, wobei weitere Steigerungen zu erwarten sind. Abbildung 1 veranschaulicht diese Zunahme in Bezug auf die Leistung pro Fläche. Im Vergleich dazu erreichen die leistungsstärksten CPUs heute nur etwa 0,18 kW oder 7 kW/cm². Das ist ein signifikanter Unterschied.

Die Kühlung von IGBTs wird durch zwei Faktoren begünstigt: Ihre Oberfläche ist etwa doppelt so groß wie die einer CPU, und sie können bei höheren Temperaturen betrieben werden, nämlich bei bis zu 170 °C im Vergleich zu 105 °C bei modernen CPUs.

Die einfachste und zuverlässigste Lösung für das Wärmemanagement ist die Kombination von Kühlkörpern mit Zwangsbelüftung (Abbildung 2). Der Wärmewiderstand innerhalb eines IGBT-Halbleitergeräts ist zwar in der Regel sehr gering, der Wärmewiderstand zwischen dem Bauteil und der Umgebungsluft ist jedoch deutlich höher. Durch die Verwendung eines Kühlkörpers für BGA-Bauteile (Ball Grid Array) wird die für die Wärmeableitung verfügbare Oberfläche erheblich vergrößert und der Wärmewiderstand verringert. Durch die Bewegung von Luft über einen Kühlkörper wird dessen Wirksamkeit weiter erhöht. Die Reduzierung des Wärmewiderstands an der Schnittstelle zwischen Bauteil und Luft ist von entscheidender Bedeutung. Sie ist systemweit die größte Schnittstelle. Ein passiver Kühlkörper ist bei ordnungsgemäßer Installation ausfallsicher, und die bewährte und zuverlässige Lüftertechnologie sorgt für zusätzliche Kühleffizienz. Same Sky hat Kühlkörper mit Abmessungen von bis zu 950 mm x 350 mm x 75 mm für das Laden von Elektrofahrzeugen entwickelt. Diese können weniger anspruchsvolle Anforderungen passiv oder anspruchsvollere Anforderungen aktiv mit Zwangsbelüftung meistern. Lernen Sie das umfassende Portfolio an AC-Lüftern und DC-Lüftern von Same Sky kennen.

Für die Kühlung starker Wärmequellen wie IGBTs sind auch Optionen mit Flüssigkeitskühlung erhältlich. Mit Wasserkühlsystemen lassen sich die niedrigsten Wärmewiderstände erzielen, was den Einsatz attraktiv macht. Sie bringen jedoch höhere Kosten und eine höhere Komplexität mit sich und sind nach wie vor auf Kühlkörper und Lüfter angewiesen, um die Wärme aus dem Gesamtsystem abzuleiten. Daher ist die direkte Kühlung von IGBTs mit Kühlkörpern und Lüftern nach wie vor der bevorzugte Ansatz. Die laufende Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Luftkühlungstechnologien für IGBTs.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge werden häufig im Freien installiert und sind verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Die Konstruktion wetterfester Gehäuse mit angemessener Belüftung und Schutz vor Witterungseinflüssen wie Regen und extremen Temperaturen ist für optimale thermische Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung. Luftstromwege und Lüftungsöffnungen müssen sorgfältig geplant werden, um das Eindringen von Wasser zu verhindern und gleichzeitig einen ausreichenden Luftstrom zu gewährleisten.

Ein wichtiger externer Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist die Sonneneinstrahlung. Sie kann die Innentemperatur der Ladestation erheblich erhöhen. Dies ist zwar ein großes Problem, doch die effektivste Lösung ist relativ einfach: Eine gut durchdachte Abschattung mit ausreichender Luftzirkulation zwischen Abschattung und Ladegerät kann die Innentemperatur der Ladestation erheblich senken.

In den letzten Jahren hat die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen weltweit stark zugenommen, wobei die Nachfrage nach verschiedenen Technologien weiterhin rasant wächst. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen auf den Straßen steigt auch die Zahl der Ladestationen. Effiziente und gut funktionierende Ladestationen sind für den Aufbau einer robusten Ladeinfrastruktur unerlässlich. Für die Akzeptanz bei Privatpersonen und Unternehmen spielt zudem die Kosteneffizienz eine wichtige Rolle.

Angesichts der erwarteten Zunahme von Elektrofahrzeugen und Ladestationen werden sich auch die zugrunde liegenden Technologien weiterentwickeln und verbessern. Dazu zählen potenzielle Steigerungen der Ladeleistung und -kapazität, die Weiterentwicklung von Software- und Hardwarestandards sowie die Einbindung bisher noch nicht absehbarer Innovationen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Wärmemanagementsysteme an diese veränderten Anforderungen angepasst werden können.

Ladegeräte für Elektrofahrzeuge stehen vor ähnlichen Herausforderungen beim Wärmemanagement wie andere elektronische Hochleistungsgeräte. Die hohe Leistungsdichte der in diesen Ladegeräten verwendeten IGBTs in Kombination mit steigenden Leistungsanforderungen stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Da Ladegeschwindigkeiten und Batteriekapazitäten weiter zunehmen, wird der Bedarf an effektiven und sicheren Ladegeräten immer wichtiger, was wiederum höhere Anforderungen an Ingenieure und Entwickler im Bereich Wärmemanagement stellt. Same Sky bietet hierfür ein umfassendes Portfolio an Wärmemanagement-Komponenten und branchenführenden Wärmemanagement-Dienstleistungen an, um diese wachsenden Anforderungen zu erfüllen.

Jeff Smoot ist Autor des Blogs „Thermal Management for Next-Generation EV Charging“, dessen Inhalte hier mit seiner Genehmigung verwendet werden.