Schnellladestationen: Kühlung für zukunftsträchtige E-Mobilität

Wichtige Kenngrößen bei Elektrofahrzeugen sind Reichweite und Ladezeiten. Um die individuelle Mobilität bestmöglich zu unterstützen, setzen sich schnelle Ladeverfahren immer mehr durch. Bei der Speicherung und Nutzung von Strom entsteht allerdings immer auch Verlustwärme, die es abzuführen gilt.

Leistungsfähige Kühlkonzepte, die sich gut integrieren lassen und die auch unter rauen Umgebungsbedingungen lange Zeit zuverlässig arbeiten, sind für die Schnellladestationen selbst erforderlich, aber auch für ihre Leistungselektronik, die Ladekabel und eventuell vorhandene Pufferspeicher. Erst mit der passenden Kühlleistung und einem effizienten Temperaturmanagement lässt sich die volle Ladekapazität nutzen sowie der Querschnitt der Ladekabel reduzieren, was diese flexibler macht und den Komfort steigert.

Diese Situation spielt sich vor dem Hintergrund einer zunehmenden Elektromobilität ab, die umweltfreundlich auf regenerative Energien setzt: Wind, Wasser, Photovoltaik oder auch grüner Wasserstoff kommen als nachhaltige Quellen in Frage. Die Schnittstelle zu Fahrzeugen wie Pkw, Lkw oder Bussen bilden Ladesäulen oder Ladeterminals unterschiedlicher Größe und Leistung, die zum Ausgleich von Schwankungen und zur Netzstabilisierung oft mit Batteriespeichern kombiniert werden. Weil das Interesse an Elektrofahrzeugen stetig zunimmt, ist die Verfügbarkeit von Schnellladestationen eine Herausforderung. Um die Ladezeit zu verkürzen, muss die Ladeanschlussleistung – je nach Anwendung – auf mehrere Hundert Kilowatt gesteigert werden. Als Folge steigt die thermische Belastung der elektrischen Bauteile in den Systemen deutlich an.

Wärme effizient abführen

Um die Verlustwärme effizient abzuführen und ein schnelles Laden zu ermöglichen, ist ein kontrolliertes Wärmemanagement erforderlich, das unterschiedliche Kühllösungen einbezieht. Die Motoren- und Ventilatorenspezialisten von ebm-papst haben sich intensiv mit dieser Thematik befasst und bieten für die verschiedenen Kühllösungen rund um die Elektromobilität passende Lösungen: Kompaktlüfter in unterschiedlichen Bauweisen für eine effiziente, geräuscharme Elektronik- und Schaltschrankkühlung gehören ebenso dazu wie leistungsfähige, intelligente Antriebe mit integrierter „K4“-Ansteuerelektronik für die Pumpen. Notwendig sind diese für die Versorgung der Kühlkreisläufe.

Ein Beispiel dafür ist der „ECI-63.20-K4“-Innenläufermotor, der dank seiner hohen Leistungsdichte typischerweise als Pumpenantrieb für die Kühlung von Ladekabeln im Level-3-Bereich mit bis zu 500 A Ladeströmen eingesetzt wird. Mit Varianten im Leistungsbereich von 180 bis 370 W deckt der kompakte Antrieb eine große Einsatzbreite ab. Aber auch die Drehzahl-Drehmoment-gesteuerten Außenläufermotoren der Baureihe „VDC-49.15-K4“ sind für Kühllösungen sehr gut geeignet. Sie ermöglichen zudem Rückschlüsse auf Druck und Kühlmitteldurchfluss. Somit kann in der Applikation auf zusätzliche Sensoren verzichten werden, was sich positiv auf die Systemsteuerung der Ladesäule auswirkt.

Lüfter und Ventilatoren für jeden Verwendungszweck

Der Innenraum einer Schnellladestation wird wie die Leistungselektronik und die Kühlkreisläufe üblicherweise mit Luft gekühlt. Hierfür sind in der Regel mehrere Ventilatoren im Einsatz – je nach Anforderung bieten sich Axial-, Radial- oder Diagonallüfter und -ventilatoren an. Mit Baugrößen von 25 bis 910 mm Durchmesser und Leistungsbereichen von 0,2 W bis 4,6 kW lässt sich für praktisch jede Anwendung rund um die Elektromobilität eine passende Lösung finden. Die treibende Kraft der Lüfter und Ventilatoren sind langlebige DC- oder Greentech-EC-Motoren, die mit hohen Wirkungsgraden arbeiten und so auch einen Beitrag zur Ressourceneinsparung leisten. Gleichzeitig hält ihre hohe Effizienz die Betriebskosten niedrig. Dank ihrer modernen Motortechnologien und strömungstechnischen Optimierungen arbeiten die Lüfter und Ventilatoren zudem ausgesprochen leise. Die Schnellladestationen werden so nicht zum Störfaktor und fügen sich in die Umgebung ein. Nicht zuletzt sorgt die Regelbarkeit der Antriebe dafür, dass ein bedarfsorientierter Betrieb einfach realisiert werden kann. Gerade im Teillastbereich bleibt der hohe Wirkungsgrad der EC-Ventilatoren erhalten – ein deutlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen AC-Ventilatoren.

Wichtig für die Kühlung in Schnellladestationen ist die Outdoor-Tauglichkeit. Auch unter Umgebungsbedingungen wie Temperaturschwankungen, Regen, Nebel, Staub oder Meeresluft muss die zuverlässige Funktion der Lüfter und Ventilatoren gewährleistet sein. Schock-, Vibrations- und Korrosionstests beim Hersteller sind daher ebenso obligatorisch wie der Highly-Accelerated-Life-Test (HAL-Test), Temperaturwechsel-Regel-Tests und EMV-Prüfungen. Ohnehin verfügen alle Lüfter und Ventilatoren über einen elektrischen Überspannungsschutz.

Schnellladestationen leistungsstark kühlen

Mittlerweile haben sich die Lüfter und Ventilatoren der Baureihen „AxiEco“ und „AxiForce“ in unterschiedlichen Elektromobilitätsanwendungen bewährt. Der Ventilator AxiEco etwa liefert hier bei einem Durchmesser von 200 mm einen Volumenstrom von 1820 m³/h. Die Drehzahl kann über ein PWM- oder Analog-Signal an die jeweils nötige Kühlleistung angepasst werden, sodass sich auch die Betriebsgeräusche entsprechend reduzieren lassen. Applikationsspezifische Modifikationen sind ohne weiteres möglich, etwa bei der Litzenlänge für den elektrischen Anschluss oder bei den Steckern.

Für Anwendungen mit hohem Gegendruck sind die Lüfter der Baureihe AxiForce sehr gut geeignet. Sie stehen in den Baugrößen 80, 120 und 172 mm zur Verfügung und erzielen Drücke bis 1200 Pa. Die Lüfter haben eine steile Luftleistungskennlinie wie sie zur Kühlung in dicht bestückten Schnellladestationen erforderlich ist. Trotz der hohen Gegendrücke lassen sich Volumenströme bis 650 m³/h erreichen, was für die Applikation eine deutliche Performancesteigerung bedeuten kann. Außerdem gibt es eine besonders umweltbeständige Variante mit einer vergossenen Elektronik, die den Anforderungen der Schutzklasse IP68 entspricht, also staubdicht und gegen starkes Strahlwasser geschützt ist und obendrein einen dreißigtägigen Salznebeltest bestanden hat. Optional sind AxiForce-Ausführungen mit ATEX-Zertifizierung erhältlich. Für diese und ähnliche Kompaktlüfter gibt es noch viele weitere Anwendungen. Dazu zählen nicht nur die Schnellladestationen selbst, sondern auch Batteriespeicher oder die Schaltschrankkühlung.

Autoren: Gerhard Gauß, Head of Sales Industrial bei ebm-papst Mulfingen, und Christian Stern, Product Manager bei ebm-papst St. Georgen.

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