Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung für Hochleistungs-DC-Ladeschränke: Welche Technologie sollten Sie wählen?

Da die Reichweite von New Energy Vehicles (NEVs) weiter zunimmt-und die Nachfrage nach schneller Energieauffüllung an Autobahnraststätten, Logistikparks, Busdepots und großen -Ladestationen-Hochleistungs--Gleichstromladungen zunimmt, entwickelt sich das Laden zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für die NEV-Ladeinfrastruktur.

 

Im Vergleich zu Standard-Ladegeräten mit geringem Stromverbrauch müssen DC-Ladesysteme mit hoher Leistung mehr Energie in kürzerer Zeit übertragen. Dadurch sind Komponenten wie Lademodule, Leistungsgeräte, Stromschienen, Steckverbinder und Ladekabel einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt.

Vor diesem Hintergrund ist die Wärmemanagementtechnologie zu einem entscheidenden Faktor bei der Konstruktion von Hochleistungs-DC-Ladeschränken geworden.

Derzeit nutzen Hochleistungsladegeräte hauptsächlich zwei Wärmemanagementmethoden:

 

· Luftkühlung
· Flüssigkeitskühlung

 

Was genau sind also die Unterschiede zwischen Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung? Warum gewinnt die Flüssigkeitskühlung beim DC-Schnellladen immer mehr an Bedeutung? Und wie sollte man beim Kauf dieser Schränke die richtige Wahl treffen?

 

 

Die Kernfunktion eines Hochleistungs-DC-Ladeschranks besteht darin, Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umzuwandeln, der für die Traktionsbatterien von Fahrzeugen mit neuer Energie geeignet ist.

 

Der grundlegende Energieumwandlungsprozess lässt sich wie folgt zusammenfassen:

 

Wechselstromnetz → Leistungsmodul → Gleichstromausgang → Ladespender → EV-Batterie

 

Während dieses Vorgangs erzeugen Komponenten im Leistungsmodul-wie Halbleiterbauelemente, Induktivitäten, Kondensatoren, Transformatoren und andere Leistungselektronik-Wärme.

 

Obwohl moderne Lademodule über eine hohe Umwandlungseffizienz verfügen, kann in Ladesystemen, die im Hunderte--Kilowatt-Bereich arbeiten, bereits ein kleiner Prozentsatz des Effizienzverlusts zu einer erheblichen absoluten Wärmelast führen.

 

Wenn beispielsweise ein Hochleistungsladesystem kontinuierlich Hunderte Kilowatt Leistung liefert, muss die durch interne Verluste erzeugte Wärme kontinuierlich abgeführt werden; Andernfalls können folgende Probleme auftreten:

 

· Steigende Temperaturen von Leistungskomponenten
· Reduzierte Ladeeffizienz
· Einschränkungen der Ausgangsleistung
· Beeinträchtigte Lebensdauer der Komponenten
· Aktivierung von Systemschutzmechanismen
· Reduzierte Stabilität bei längerem Betrieb

 

Daher ist das Kühlsystem für einen Hochleistungs-DC-Ladeschrank nicht nur eine Hilfskomponente, sondern ein entscheidendes Element, das die dauerhafte Leistungsfähigkeit des Geräts bestimmt.

 

 

Ein luftgekühlter DC-Ladeschrank nutzt Luft als Kühlmedium, um die im Gerät erzeugte Wärme über Komponenten wie Lüfter, Kühlkörper und Luftkanäle an die Umgebung abzuleiten.

 

Ein typisches luftgekühltes System umfasst normalerweise:

 

·Lüfter
· Kühlkörper
· Luftkanal
· Luftfilter
· Temperatursensor
· Belüftungsstruktur

 

Sein grundlegendes Funktionsprinzip ist:

 

Wärmeerzeugung → Kühlkörper → Zwangsluftstrom → Wärmeableitung → Umgebungsluft

 

Lüfter treiben Luft über Leistungsmodule und Kühlkörper und transportieren so die Wärme aus dem Gerät.

Dieser Ansatz zeichnet sich durch ein relativ ausgereiftes Design aus und bleibt für DC-Ladegeräte mittlerer Leistung und Anwendungen mit geeigneten Umgebungsbedingungen äußerst praktisch.

 

 

Ein flüssigkeitsgekühlter DC-Ladeschrank verwendet ein Kühlmittel als Wärmeübertragungsmedium.

 

Im Vergleich zu Luft kann Flüssigkeit, die durch einen speziell entwickelten Kühlkreislauf zirkuliert, die im Gerät erzeugte Wärme effektiver an einen Wärmetauscher übertragen und anschließend an die Umgebung abgeben.

 

Ein typisches flüssigkeitsgekühltes System kann Folgendes umfassen:

 

· Kühlmittelpumpe
· Kühlplatte
· Wärmetauscher
· Kühler
· Kühlmittelbehälter
· Temperatursensor
· Durchflusssensor
· Drucküberwachungssystem

 

Der grundlegende Betriebsablauf lässt sich wie folgt zusammenfassen:

 

Leistungsmodul → Kühlplatte → Kühlmittel → Wärmetauscher → Kühler → Wärmeableitung

 

In Ladesystemen mit höherer{0}Leistung kann die Flüssigkeitskühlungstechnologie nicht nur auf die Leistungsmodule im Schrank, sondern auch auf Hochstrom-Ladekabel und -Anschlüsse angewendet werden.

 

Öffentlich verfügbare Branchendaten zeigen beispielsweise verteilte Ladesysteme-mit einem 600-kW-Stromschrank gepaart mit flüssigkeitsgekühlten 500-A--Ladekabeln-, die das gleichzeitige Laden mehrerer Fahrzeuge unterstützen und gleichzeitig Strom basierend auf der Fahrzeugnachfrage in Echtzeit dynamisch zuweisen sollen.

 

 

1. Besser geeignet für Designs mit hoher Leistungsdichte

Da die DC-Ladeleistung immer weiter steigt, erfordern Ladeschränke den Einbau von mehr oder leistungsfähigeren Leistungselektronikmodulen.

Wenn man einfach mehr Lüfter hinzufügen und den Luftstrom erhöhen würde, würden Probleme wie die Gestaltung des internen Luftstrompfads, die Abmessungen des Kühlkörpers, der Geräuschpegel und die Platzbeschränkungen im Schrank zu erheblichen Herausforderungen.

 

Im Gegensatz dazu nutzen Flüssigkeitskühlsysteme Kühlplatten und Zirkulationskreisläufe, um Wärme direkt aus der Umgebung von wärmeerzeugenden Komponenten zu extrahieren und so eine größere Designflexibilität für Geräte mit hoher Leistungsdichte zu bieten.

 

2. Ermöglicht das Hoch-Laden

Die Ladeleistung kann einfach ausgedrückt werden als:

 

P = U × I

 

Mit anderen Worten: Bei einer gegebenen Spannung erfordert eine zunehmende Ladeleistung einen höheren Strom.

Mit steigendem Strom nimmt jedoch die Wärmeentwicklung in Leitern, Kabeln und Anschlüssen zu.

 

 

Flüssigkeitskühlungslösungen sollten für Projekte mit den folgenden Eigenschaften priorisiert werden:

 

1. Ultraschnelle Ladestationen auf Autobahnen

Autobahnraststätten erfordern in der Regel kurze Verweilzeiten der Fahrzeuge, wodurch ein hoher Bedarf an Möglichkeiten zur schnellen Energieauffüllung entsteht.

Wenn mehrere Fahrzeuge gleichzeitig aufgeladen werden, kann es sein, dass die Ladeausrüstung über längere Zeiträume unter hoher Last arbeitet, was höhere Anforderungen an die Wärmemanagementsysteme stellt.

 

2. Nutzfahrzeug- und Logistikflotten

Logistikfahrzeuge fahren in der Regel nach definierten Zeitplänen mit bestimmten Zeitfenstern zum Aufladen.

Für Flotten, die schnelle Durchlaufzeiten benötigen, kann das Hochleistungs-Gleichstromladen dazu beitragen, die Zeit, die Fahrzeuge an Ladestationen verbringen, zu minimieren.

Das US-Energieministerium hat außerdem festgestellt, dass das Gleichstrom-Schnellladen für bestimmte Flottenanwendungen geeignet ist, bei denen Fahrzeuge bei kurzen Stopps aufgeladen werden müssen.

 

3. Busse und schwere -Elektrofahrzeuge

Busse, Lastkraftwagen, Hafenfahrzeuge und andere kommerzielle Elektrofahrzeuge verfügen typischerweise über große Batteriekapazitäten; Folglich erfordert die Ladeinfrastruktur möglicherweise eine höhere Leistungsabgabe und die Fähigkeit, über einen längeren Zeitraum ununterbrochen zu arbeiten.

Mit der Entwicklung von Hochleistungsladestandards und -systemen-wie MCS-ist die Bedeutung der Flüssigkeitskühlungstechnologie bei Hochstromladeanwendungen immer wichtiger geworden.

 

4. Ladestationen mit hoher -Auslastung

Wenn eine Ladestation den ganzen Tag über eine große Anzahl von Fahrzeugen kontinuierlich versorgen muss, kann die tatsächliche Betriebslast der Ausrüstung weitaus höher sein als in typischen Büro- oder Wohnumgebungen.

 

 

Da die Nachfrage nach dem Laden neuer Energiefahrzeuge weiter steigt, entwickeln sich Hochleistungsladesysteme in mehrere wichtige Richtungen.

 

1. Höhere Macht

Ladesysteme verlagern sich von traditionellen, niedrigeren Leistungsniveaus hin zu Kapazitäten von Hunderten von Kilowatt oder sogar im Megawatt-Bereich (MW).

 

2. Höhere Leistungsdichte

Die Konfiguration mehrerer Leistungsmodule innerhalb derselben Schrankfläche stellt höhere Anforderungen an das Wärmemanagement und das Strukturdesign.

 

3. Modularität

Modulare Leistungsschränke ermöglichen die Konfiguration einer unterschiedlichen Anzahl von Leistungsmodulen je nach Projektanforderungen und erleichtern gleichzeitig die Wartung und Leistungsskalierbarkeit.

 

4. Intelligente Leistungszuteilung

Zukünftige Ladestationen werden nicht unbedingt jedes Fahrzeug mit festem Strom versorgen; Stattdessen wird die Leistung dynamisch auf der Grundlage von Faktoren wie dem Ladezustand (SOC) des Fahrzeugs, dem Ladebedarf in Echtzeit und der Auslastung anderer Ladeterminals zugewiesen.

 

Derzeit nutzen verteilte Ladesysteme der 600-kW--Klasse bereits eine dynamische Leistungszuteilung, die es mehreren Fahrzeugen ermöglicht, sich einen zentralen Schaltschrank zu teilen.

 

5. Erweiterte Anwendung der Flüssigkeitskühlungstechnologie

Aufgrund des Bedarfs an höherer Leistung und höherem Strom wird die Flüssigkeitskühlungstechnologie über Schaltschränke hinausgehen und zunehmend auf Komponenten wie Ladepistolen, Kabel und Steckverbinder angewendet werden.