Hitzeentlastung
Fortschritt bei Relais ermöglicht neue EV-Wallbox-Designs
Mehr Leistung, schnellere Ladegeschwindigkeiten und kompaktere Wallbox-Designs – diese Anforderungen machen das Temperaturmanagement im Inneren der Wallbox zu einer großen Herausforderung. Eine zentrale Rolle bei der Hitzeentlastung kann künftig die Relais-Technologie spielen.
Wallboxen zum Aufladen von Elektrofahrzeugen (EV) sind immer häufigerer anzutreffen: in Haushalten, Unternehmen, an öffentlichen Parkplätzen und Tankstellen. Weil der Markt für Elektroautos in den kommenden Jahren weiter rasant wachsen wird, sind die Hersteller dieser Wallboxen bestrebt, ihre Geräte so attraktiv wie möglich zu gestalten. Und dies bedeutet, auch so kompakt wie möglich! Gleichzeitig bleibt die Forderung nach mehr Sicherheit, Effizienz und schnellstmöglichen Ladegeschwindigkeiten.
Das Problem dabei ist, dass durch die Unterbringung von Hochleistungselektronik auf immer kleinerem Raum mehr Wärme entsteht. Das führt dazu, dass die Hitzeentwicklung mittlerweile einer der größten Feinde des Wallbox-Designs ist. Denn zu hohe Temperaturen wirken sich negativ auf die Ladegeschwindigkeit und den Wirkungsgrad aus und führen zu einem vorzeitigen Verschleiß der Bauteile. In Worst- Case – an einem besonders heißen Tag oder bei einer Störung, die zu einer Überhitzung der Wallbox führt – kann es zu einem kompletten Ausfall kommen.
Besonders kritisch wird es, wenn Ladegeräte von mehreren Fahrzeugen in rascher Folge benutzt werden, so dass die Wallbox zwischen den Ladevorgängen keine Gelegenheit zum Abkühlen hat. Aber auch äußere Einflüsse haben große Auswirkungen auf die Temperaturentwicklung: Bei direkter Sonneneinstrahlung kann die Innentemperatur einer Wallbox Werte von 70 bis 80˚C erreichen – und innerhalb weniger Stunden um 50 bis 60 ˚C schwanken. Viele Ladegeräte sind mit Temperatursensoren ausgestattet, die bei Übertemperatur eine Reduzierung des Ladestroms bewirken. Das erhöht zwar die Sicherheit, bedeutet aber längere Ladezeiten und mehr Unannehmlichkeiten für den Verbraucher.
Ladegeräte-Typen erklärt
- Wallboxen sind Ladegeräte des Typs Mode 3. Bei den Stromversorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge (EVSE) werden vier verschiedene Betriebsarten unterschieden: Mode 1, Mode 2, Mode 3 und Mode 4.
- Mode 1 ist der am wenigsten verbreitete, da er keine Sicherheitskommunikation mit dem Elektrofahrzeug vorsieht und daher in einigen Ländern nicht zulässig ist und auch von den meisten Elektrofahrzeugherstellern nicht unterstützt wird.
- Bei Mode 2 wird ein Ladekabel verwendet, das mit einer kabel-internen Kontroll- und Schutzvorrichtung ausgestattet ist und an eine haushaltsübliche Steckdose angeschlossen werden kann. Dies gilt zwar als sicherer als Mode 1, aber die Ladegeschwindigkeit ist im Vergleich zu Mode 3 und 4 immer noch gering.
- Wechselstrom-Ladegeräte des Mode 3 sind in Privathaushalten und Unternehmen mit Abstand am häufigsten anzutreffen. Diese erreichen zwar nicht die gleichen Ladegeschwindigkeiten wie die Mode 4 DC-Schnellladegeräte, die an öffentlichen Ladestationen zu finden sind, bieten aber eine sichere und langsame Aufladung - ideal für das Aufladen über Nacht oder während des Arbeitstages.
- Da diese Geräte jedoch in Privathaushalten und Unternehmen installiert werden, sind Platz und Ästhetik von großer Bedeutung und werden zu einem wichtigen Unterscheidungsmerkmal zwischen den Herstellern.
Abwägen zwischen Leistung und Wärmeableitung
Da die Hersteller bestrebt sind, ihre Geräte so kompakt wie möglich zu gestalten und gleichzeitig so viel Leistung wie möglich zu erbringen, entsteht ein grundlegendes Problem. Die Elektronik in einer Wallbox erzeugt allein durch den normalen Betrieb Wärme, und je höher ihre Leistung ist, desto mehr Wärme entsteht.
Daher ist ein sorgfältiges Wallbox-Design erforderlich, um die Temperaturen zu steuern und zu reduzieren, um eine optimale Leistung und Langlebigkeit zu gewährleisten, ohne dabei Kompromisse bei der Größe des benötigten Platzes einzugehen.
Neues Relais gibt weniger Wärme ab
Leistungsrelais sind einer der Hauptverursacher von Hitze innerhalb der Wallboxen. Daher kann jede Reduzierung ihrer Betriebstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz und Langlebigkeit des gesamten Systems haben. Insbesondere der Kontaktwiderstand des Relais ist oft entscheidend für die Menge der erzeugten Wärme. Selbst ein Anstieg des Kontaktwiderstands um ein Milli-Ohm kann zu einem Temperaturanstieg an den Lastklemmen von bis zu 18˚C oder mehr führen.
Das Leiterplattenrelais G9KC von Omron löst dieses Problem durch die Verwendung eines mechanisch gekoppelten Brückenkontakts. Dieser gewährleistet die vollständige Einhaltung der kommenden Überarbeitung der IEC 61851 Ed.4. Die Struktur ist das Ergebnis einer sorgfältigen Entwicklung, die speziell für das Laden in AC-Wallboxen optimiert wurde. Ein optimaler Kupferanteil mit einem leistungsoptimierten Design der Kontaktkarte (Cradle) verbessert die Energieeffizienz erheblich und reduziert gleichzeitig die Wärmeabgabe.
Infolgedessen lassen sich die Betriebstemperaturen in einer typischen 22-kW-32-A-Wallbox bei guter Auslegung des Ladegeräts um bis zu 10˚C senken! Dies erlaubt nicht nur ein schnelleres und effizienteres Aufladen, sondern eröffnet den Entwicklern und Designern von Wallboxes auch neue Gestaltungsmöglichkeiten.
Die 4-polige Struktur bedeutet, dass ein einziges Relais größere mehrpolige Schütze und drei oder vier einpolige Relais durch ein einziges Relais des Typs „G9KC“ ersetzen kann, was die erforderliche Grundfläche verringert. Das neue PCB-Relais hat einen extrem niedrigen Übergangswiderstand mit einem garantierten Anfangskontaktwiderstand von weniger als 6 Milli-Ohm - etwa halb so viel wie jede andere vergleichbare Lösung auf dem Markt. Dadurch werden durch fließenden Strom verursachte Hotspots deutlich reduziert.
Die niedrigere Betriebstemperatur des G9KC verbessert nicht nur die Ladeeffizienz und Ladeleistung, sondern verringert auch die Wahrscheinlichkeit des Erreichens von Schwellenwerten für die Stromdrosselung und trägt gleichzeitig zu einer höheren Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Relais selbst sowie der umliegenden Komponenten bei. Entscheidend ist, dass das Relais nicht nur einen niedrigen Anfangskontaktwiderstand hat, sondern auch während seiner gesamten Lebensdauer einen niedrigen Kontaktwiderstand beibehält. Dies ist besonders wichtig, da Wallboxen in der Regel eine Betriebsdauer von mehreren Jahren haben.
Die Zukunft des Wallbox-Designs
Es ist allgemein bekannt, dass die Ladeinfrastruktur schnell verbessert werden muss, um dem schnell wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge gerecht zu werden. Wallboxen bieten im Allgemeinen eine kostengünstige und sichere Lösung gegen die Bedenken aufgrund der reduzierten Reichweite („Reichweitenangst“) bei Elektroautos, die von Autofahrern immer wieder als Grund genannt wird, nicht auf Elektroantrieb umzusteigen. Dank neuer Entwicklungen in der Relais-Technologie können sie nun auch so gestaltet werden, dass sie wenig Platz beanspruchen und sich in die Ästhetik des Aufstellungsortes einfügen.
Die Verwendung von Komponenten mit geringerer Wärmeentwicklung ermöglicht nicht nur ein schnelleres Aufladen, sondern erleichtert auch die Integration von mehr Funktionen in Wallbox-Designs, die Integration von Sensoren zur Überwachung der Ladegeschwindigkeit und möglicherweise sogar neue Entwicklungen beim kabellosen Aufladen.
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