Herausforderung HPC

Das HPC DC stellt eine Spitzenbelastung für das elektrische System eines EV dar. In keiner anderen Betriebssituation fließt für einen längeren Zeitraum derart viel elektrische Energie vom Ladepunkt zum Fahrzeug und im Fahrzeug. Selbst bei hochagilem Fahren mit hohen Lastanforderungen durch den Fahrer werden dauerhaft keine vergleichbaren Ströme erreicht. Mit dem hohen Ladestrom geht auch eine starke Erwärmung der stromführenden Komponenten einher, was im Stillstand kritischer ist als beim Fahren, weil im Stand keine Konvektion für die Kühlung verfügbar ist. Will man ein DC-Schnellladen also aus den eingangs genannten Gründen ermöglichen, so muss das elektrische System vom Ladepunkt bis zur Fahrzeugbatterie dafür elektrisch und thermisch ausgelegt sein.

Vor allem eines erweist sich dabei als Herausforderung: Je höher der Strom, desto größer muss der Kabelquerschnitt bei gleichbleibender Spannung sein, um diese Leistung zu transportieren, ohne dabei zu überhitzen. Im Fahrzeug ist das in erster Linie eine Frage des Gewichts und des verfügbaren Bauraums. Es macht beispielsweise einen deutlichen Unterschied, ob man mit 50 mm2 Leiterquerschnitt vom fahrzeugseitigen Anschluss für den Stecker des Ladekabels (Inlet) zur Batterie auskommt, oder doch auf bis zu 95 mm2 verstärken muss. Deshalb bietet es sich auch an, die Spannung zu erhöhen, da sich bei höherer Spannung dieselbe Leistung bei reduziertem Strom transportieren lässt, denn die Leistung ist bekanntlich das Produkt aus Strom und Spannung. So erklärt sich der Übergang einzelner OEM von 400 V Systemspannung auf 800 V, denn damit lassen sich größere Kabelquerschnitte vermeiden.

Was im Fahrzeug unerwünschte zusätzliche Masse ist, stößt auch bei fest an die Ladeinfrastruktur angeschlossenen Ladekabeln (Mode-4-Anschlüsse) an Gewichtsgrenzen: Beim Realisieren eines HPC DC ist es wichtig, jede Überdimensionierung des Kabels und aller beteiligten elektrischen Kontaktstellen zu vermeiden. Aus Gewichts- und Bauraumgründen gilt das auch für das EV, denn zusätzliche Masse bedeutet einen höheren Energiebedarf und somit geringere Reichweite. Allerdings gehen systemische Optimierungen oft mit der Erhöhung von Komplexität einher und müssen daher stets sorgfältig abgewogen werden.

Auslegung elektrischer Komponenten

Die bisherige Vorgehensweise zur Auslegung der elektrischen Komponenten entlang eines Hochvolt-Strompfades (HV-Pfad) basiert ursprünglich auf Annahmen, die für hoch dynamische Fahrprofile und das Anforderungsprofil des HPC DC im Fahrzeug weniger geeignet sind. Geltende Normen und Standards basieren auf statischen Lastpunkten (und ursprünglich auch auf elektrischen Anwendungen zur Bemessung von Relais und Sicherungen), die mit statistischen Verfahren gemittelt und in ihrer Häufigkeit und Bedeutung gewichtet werden. Daraus resultiert ein Effektivwert, der die statischen Bedingungen abbildet (Bild 1).

Für dieses – in der Realität nichtzutreffende – Lastprofil werden elektrische Anschlusskomponenten mit einem Sicherheitszuschlag von beispielsweise +20 % ausgelegt. Im EV unterscheidet sich das tatsächliche Lastprofil jedoch dramatisch von bisherigen Fahrzeuganwendungen und von den Effektivwerten (Bild 2).

Bild 2 zeigt sehr deutlich, warum die thermische Auslegung im Hinblick auf das Laden so wichtig ist. Während sich beim Fahrbetrieb eine sehr dynamische Stromkurve ergibt, die von einem Lastwechsel zwischen hoher und niedriger Last charakterisiert ist, wird die hohe Dauerlast beim HPC DC von der aus dem Fahrprofil abgeleiteten Kurve überhaupt nicht abgedeckt. Will man eine Spitzenbelastung mit 350 kW Ladeleistung ermöglichen, so benötigt man eine andere Herangehensweise an die Auslegung der elektrischen Komponenten. Während die in der Batterie eines EV gespeicherte Leistung beim Fahren typischerweise im Verlaufe mehrerer Stunden abgerufen wird, fließt während des HPC DC binnen weniger Minuten die drei- bis vierfache Leistung in die Batterie. Deshalb muss man den gesamten HV-Pfad systemisch in seiner Verhaltensweise während des Ladens betrachten (Bild 3). Gemittelte Werte sind aus den genannten Gründen dafür nicht sinnvoll.

Bild 3: Unterschiedlich belastete Komponenten entlang des Strompfades im EV.

Bild 3: Unterschiedlich belastete Komponenten entlang des Strompfades im EV. TE Connectivity

Entscheidend ist dabei das Wissen darüber, wo bei Dauerlast Übertemperaturen entstehen, die zu einem kritischen Zustand führen können. Dieser thermische Aspekt bedarf genauerer Betrachtung. Das ist mit den heute verwendeten Verfahren nicht möglich – mit dem Ergebnis, dass aktuelle Systeme aus Sicherheitserwägungen um einen Faktor X statisch überdimensioniert werden. Allerdings kann man sich das bei 350 kW Ladeleistung aus Gründen des Gewichts, des Bauraums und der Handhabbarkeit prinzipiell nicht mehr leisten. TE Connectivity ist durch aktive Mitarbeit im ZVEI engagiert in der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Bewertung. Dabei geht es um eine Methodik, die es dynamisch ermöglicht, den Temperatureintrag durch Komponenten und die Entwärmung im System mit etablierten Simulationsmethoden (bekannt aus elektrischen Systemen) zu jedem Zeitpunkt zu ermitteln, um auf dieser Basis die Auslegung der verwendeten Komponenten frühzeitig untersuchen sowie deren Verhalten im Betrieb vorhersagen zu können.

Es geht allerdings nicht darum, den Sicherheitsfaktor zu verringern – im Gegenteil. Mit einer neuen Auslegungsmethodik auf Basis einer realitätsnahen systemischen Wärmesimulation entlang des gesamten HV-Pfades soll gerade erst ein sicherer Langfristbetrieb bei gleichzeitig gut handhabbarer Dimensionierung ermöglicht werden. Die systemische Wärmesimulation (Model-Based Thermal Simulation) schafft eine überprüfbare Grundlage für künftige Lastprofile und damit den Nachweis der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aller Verbindungskomponenten entlang des HV-Pfades.

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