Thermomanagementlösungen für das Laden von Elektrofahrzeugen

Mit der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen auf den Straßen schreitet der Bau von Ladestationen schnell voran. Höhere Ladegeschwindigkeiten sind zu einem zentralen Schwerpunkt bei der Entwicklung von Ladestationen geworden.

Gut funktionierende und effiziente Ladegeräte sind entscheidend für den aktiven Aufbau einer Ladeinfrastruktur. Höhere Ladegeschwindigkeiten erzeugen jedoch auch höhere Wärmemengen, was Herausforderungen für die Sicherheit des Ladevorgangs mit sich bringt. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Entwicklung der Ladetechnologie für Elektrofahrzeuge und die Bedeutung von Kühlsystemen zur Wärmeableitung während des Ladevorgangs sowie über Lösungen zum thermischen Management für Ihr Design.

Technologien der nächsten Generation für das Wärmemanagement beim Laden von Elektrofahrzeugen

Da Elektrofahrzeuge zu einem primären Fortbewegungsmittel werden, werden Batteriereichweite und noch schnellere Ladegeschwindigkeiten integrale Bestandteile der globalen wirtschaftlichen Tragfähigkeit. Die Verbesserung dieser Ladesysteme für Elektrofahrzeuge erfordert Fortschritte in mehreren Technologiebereichen, einschließlich des thermischen Managements.   Mit der steigenden Nachfrage nach schnelleren Ladegeräten ändern sich verschiedene Implementierungsmethoden. Eine bemerkenswerte Veränderung ist der Übergang zu Gleichstrom (DC)-Ladegeräten, was verwirrend klingen mag, da alle Batteriesysteme auf Gleichstrom arbeiten. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch darin, wo die Stromumwandlung von Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC) stattfindet. In typischen Wohnanwendungen besteht der gebräuchlichste Ansatz in der Verwendung herkömmlicher Wechselstrom-Ladegeräte, die zur Kommunikation, Filterung und Steuerung des Wechselstroms in das Fahrzeug genutzt werden, wonach das integrierte Gleichstromladegerät im Fahrzeug den Strom gleichrichtet und die Batterie auflädt. Im Gegensatz dazu richten DC-Ladegeräte den Strom vor der Übertragung als Hochvolt-Gleichstrom an das Fahrzeug gleich. Ein wesentlicher Vorteil von DC-Ladegeräten besteht darin, viele Einschränkungen hinsichtlich Gewicht und Größe zu eliminieren, indem die Stromaufbereitungshardware von der Elektronik des Fahrzeugs auf eine externe Struktur verlagert wird.   Durch die Eliminierung von Gewicht- und Größenbeschränkungen können DC-Ladegeräte problemlos mehr Komponenten integrieren und somit den Stromdurchsatz und die Betriebsspannung erhöhen. Diese Ladegeräte nutzen hochmoderne Halbleiterbauelemente, Filter und Leistungswiderstände zur Stromgleichrichtung, die alle erhebliche Mengen an Wärme erzeugen. Während Filter und Widerstände nennenswerte Wärme erzeugen, ist die Hauptwärmequelle in den Ladesystemen für Elektrofahrzeuge der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), ein Halbleiterbauelement, das in den letzten Jahrzehnten weite Verbreitung gefunden hat. Dieses leistungsstarke Bauelement hat viele Möglichkeiten in den Ladeanwendungen eröffnet, aber seine angemessene Kühlung bleibt eine große Herausforderung.   IGBTs sind im Wesentlichen eine Kreuzung zwischen einem FET und einem BJT. Sie können hohe Spannungen aushalten, zeichnen sich durch niedrigen Widerstand, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und beeindruckende Wärmetoleranz aus und eignen sich daher hervorragend für Hochleistungsanwendungen wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Da IGBTs in diesen Ladegeräten als Gleichrichter oder Wechselrichter fungieren, schalten sie häufig und erzeugen dabei erhebliche Wärme. Die thermische Herausforderung heutzutage besteht darin, dass der Wärmeabgabebedarf von IGBTs von 1,2 kW vor drei Jahrzehnten auf über 12,5 kW heute gestiegen ist – ein mehr als zehnfacher Anstieg – und diese Nachfrage wird voraussichtlich weiter steigen.   Es gibt zwei Faktoren, die zur Kühlung von IGBTs beitragen. Erstens ist die Oberfläche von IGBTs etwa doppelt so groß wie die einer CPU. Zweitens können sie bei höheren Temperaturen betrieben werden, mit einer Betriebstemperatur von 170°C im Vergleich zu modernen CPUs, die typischerweise bei etwa 105°C arbeiten. Die direkteste und zuverlässigste Lösung für das thermische Management ist jedoch eine Kombination aus Kühlkörpern und erzwungener Belüftung.   Der thermische Widerstand innerhalb von Halbleiterbauelementen wie IGBTs ist in der Regel sehr gering, während der thermische Widerstand zwischen dem Bauelement und der umgebenden Luft relativ hoch ist. Ein Kühlkörper erhöht die verfügbare Oberfläche erheblich, die für die Wärmeabgabe in die umgebende Luft genutzt werden kann, und reduziert dadurch den thermischen Widerstand. Darüber hinaus verbessert die Bewegung von Luft über den Kühlkörper dessen Effizienz weiter. Der Vorteil dieses einfachen Kühlsystems besteht darin, dass passiv betriebene Kühlkörper bei korrekter Installation niemals ausfallen und Lüfter eine ausgereifte und hochentwickelte Technologie darstellen, die für ihre Zuverlässigkeit bekannt ist.

Kühlkomponenten und Platzierungstechniken für die thermische Überwachung

Ein wesentlicher Bestandteil jedes Kühlsystems ist die Platzierung der Komponenten, um den Luftstrom zu optimieren und die Wärmeableitung zu maximieren. Ungenügender Abstand zwischen den Komponenten kann den Luftstrom beeinträchtigen und die Größe der verfügbaren Kühlkörper einschränken. Daher sollten kritische wärmeerzeugende Komponenten strategisch im System positioniert werden, um eine effektive Gesamtwärmeableitung zu gewährleisten.   Während die sorgfältige Platzierung wärmeerzeugender Komponenten notwendig ist, ist die Platzierung der Temperatursensoren ebenso wichtig. In großen Systemen wie DC-Elektrofahrzeug-Ladegeräten kann ein Steuerungssystem, das die Temperaturwerte in Echtzeit überwacht, ein aktives Wärmemanagement ermöglichen. Durch automatische Anpassung der Kühlmechanismen basierend auf den Temperaturmesswerten kann die Leistung optimiert und Überhitzung verhindert werden, indem beispielsweise der Stromausgang begrenzt oder die Lüfterdrehzahl angepasst wird. Diese automatischen Anpassungen hängen jedoch von der Qualität der Eingangsdaten ab. Wenn Temperatursensoren falsch positioniert sind, wird die Reaktion des Systems entsprechend ungenau sein.   Elektrofahrzeug-Ladestationen werden in der Regel im Freien installiert und sind verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt. Der Entwurf wetterfester Gehäuse mit ausreichender Belüftung, um Regen und extremen Temperaturen standzuhalten, ist entscheidend, um optimale thermische Bedingungen aufrechtzuerhalten. Das Design der Luftströmungswege und Lüftungsöffnungen muss das Eindringen von Wasser verhindern, ohne den Luftstrom einzuschränken.   Einer der am meisten besorgniserregenden externen Faktoren ist die Sonnenwärme, die durch Sonnenlicht entsteht, das auf das Gehäuse des Ladegeräts trifft, und die die Innentemperaturen erheblich erhöhen kann. Obwohl dies ein berechtigtes Anliegen ist, beinhalten die effektivsten Lösungen oft einfache, aber direkte Ansätze. Der Einsatz sorgfältig gestalteter Verschattungsgeräte und die Gewährleistung eines ausreichenden Luftstroms zwischen dem Verschattungsgerät und der Ladeeinheit können die Umgebungstemperatur rund um das Ladegerät erheblich reduzieren.

DC-Lüfter und Radialgebläse mit vielseitigen Optionen und individuellen Merkmalen

Same Sky bietet ein vielfältiges Sortiment an DC-Lüftern und Radialgebläsen, die auf verschiedene Kühlanforderungen zugeschnitten sind. Das Angebot umfasst Axiallüfter und Radialgebläse mit Rahmenmaßen von 20 bis 172 mm und einer Luftstromrate von 0,33 bis 382 CFM. Diese DC-Lüfter von Same Sky sind standardmäßig mit einem automatischen Neustartschutz ausgestattet und verwenden Kugellager, Gleitlager oder die fortschrittliche omniCOOL™-Systemkonstruktion von Same Sky. Sie bieten zudem verschiedene Optionen und Anpassungsmöglichkeiten, wodurch sie ideale Lösungen für Zwangsluftkühlung zur Wärmeableitung in Anwendungen darstellen.   Die DC-Axiallüfter von Same Sky sind für Spannungen von 5, 12, 24 und 48 Vdc ausgelegt und bieten Optionen für Tachometersignale, Rotationsdetektoren und PWM-Steuersignale. Sie können Geschwindigkeiten von bis zu 25.000 U/min (RPM) erreichen und sind in Modellen mit IP68-Schutzklasse erhältlich, die sich für raue Umgebungen eignen.   Same Sky bietet Radialgebläse mit Rahmenmaßen von 35 bis 120 mm an. Diese Gebläse verfügen über Kugellager-, Gleitlager- oder omniCOOL™-Systemkonstruktionen und sind für Spannungen von 5, 12 und 24 Vdc ausgelegt. Sie sind mit einem automatischen Neustartschutz ausgestattet und bieten einen Luftstrombereich von 0,57 bis 44,2 CFM sowie verschiedene Geschwindigkeitsoptionen von bis zu 20.000 U/min (RPM), wodurch sie sich ideal für Anwendungen mit hohem Gegendruck eignen.

Der beste Kühlkörper für natürliche Konvektion oder Zwangsbelüftungssysteme

Same Sky bietet eine Reihe von Kühlkörpern, die sich für Leiterplatten- und Ball-Grid-Array (BGA)-Designs eignen. Ihre Aluminium- und Kupfer-Kühlkörper sind mit den Transistorgehäusen TO-218, TO-220, TO-252 und TO-263 sowie mit BGA-Gehäusen kompatibel. Diese Kühlkörper messen den Wärmewiderstand unter vier Bedingungen und erleichtern so die Auswahl des optimalen Kühlkörpers für Systeme mit natürlicher Konvektion oder Zwangsluftkühlung.   Die Kühlkörpertypen von Same Sky umfassen BGA-Kühlkörper und Leiterplatten-Kühlkörper. Die BGA-Kühlkörper sind mit BGA-Bauteilen kompatibel, bestehen aus Aluminium oder Kupfer und sind entweder mit schwarzer Eloxalschicht oder in sauberer Ausführung erhältlich, mit Klebemontage oder PCB-Montageoptionen. Die BGA-Kühlkörper von Same Sky unterstützen verschiedene Größen von 8,5 x 8,5 mm bis 69,7 x 69,7 mm, mit Höhen von 5 bis 25 mm. Gemessen unter vier Wärmewiderstandsbedingungen bieten die BGA-Kühlkörper von Same Sky eine Wärmeableitungsleistung von 1,92 bis 21,74 W bei 75 °C.   Die Leiterplatten-Kühlkörper von Same Sky sind mit verschiedenen Standardprofilen und Prägeteilen gestaltet, kompatibel mit den Transistorgehäusen TO-218, TO-220, TO-252 und TO-263. Diese Kühlkörper bestehen aus Aluminium oder Kupfer und verfügen über eine schwarze oder blaue Eloxalschicht oder eine zinnbeschichtete Oberfläche. Sie unterstützen eine Reihe von Standardformen und -größen von 8 mm bis 70 mm sowie Profile von 4 mm bis 45 mm.   Die Leiterplatten-Kühlkörper von Same Sky lassen sich weiter in Strangpress-Kühlkörper und Prägestück-Kühlkörper unterteilen. Die Strangpress-Kühlkörper von Same Sky bieten Aluminium-Lamellenstrukturen mit größeren Oberflächen, um die Wärmeableitung in Hochleistungsanwendungen zu fördern. Gemessen unter vier Wärmewiderstandsbedingungen haben diese Strangpress-Kühlkörper eine Wärmeableitungsleistung von 1,93 bis 16,7 W bei 75 °C. Die Strangpress-Kühlkörper von Same Sky bestehen aus Aluminium und verfügen über eine schwarze oder blaue Eloxalschicht, kompatibel mit Transistorgehäusen TO-218 und TO-220.   Die Prägestück-Kühlkörper von Same Sky bestehen aus Aluminium oder Kupfer und verfügen über schwarze Eloxalschichten oder zinnbeschichtete Materialoberflächen, was sie ideal für Anwendungen zur Kühlung von Leiterplatten mit niedriger Leistung macht. Diese Prägestück-Kühlkörper unterstützen verschiedene Transistorgehäuse mit Abmessungen von 8 bis 50,8 mm Breite und 4 bis 25,4 mm Höhe. Gemessen unter vier Wärmewiderstandsbedingungen bieten diese Kühlkörper eine Wärmeableitungsleistung von 2,1 bis 10,29 W bei 75 °C.

Fazit

Mit der steigenden Anzahl an Elektrofahrzeugen und Ladegeräten werden sich auch die Technologien, auf die sie angewiesen sind, weiterentwickeln und verbessern. Angesichts des potenziellen Anstiegs der Ladeleistung und -kapazität ist es entscheidend sicherzustellen, dass Wärmemanagementsysteme sich im Laufe der Zeit an die sich ändernden Anforderungen anpassen können. Das schnelle Wachstum der Leistungsdichte von IGBTs, die in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge verwendet werden, stellt einzigartige Herausforderungen für das Wärmemanagement dar. Die Anforderungen an eine effektive und sichere Herstellung dieser Ladegeräte werden immer anspruchsvoller, sodass höhere Standards für das Wärmemanagement erforderlich sind. Same Sky bietet eine vielfältige Palette an Komponenten für das Wärmemanagement sowie branchenführende Dienstleistungen im Bereich Thermisches Design, um Kunden jederzeit bei ihren Anforderungen zu unterstützen!