Energieeffizientes Schnellladen von Elektrofahrzeugen
Forschungsprojekt: AKoS - Adaptive Kontaktlösungen für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen
Das Schnellladen von Elektrofahrzeugen an HPC-Ladesäulen wird durch die maximal übertragbare elektrische Leistung an den Kontaktstellen zwischen CCS-Ladestecker und Fahrzeugsteckdose (Inlet) begrenzt. Um den Ladestecker noch von Hand einstecken zu können, werden niedrige Kontakträfte eingestellt und ein hoher elektrischer Übergangswiderstand in Kauf genommen, der jedoch zur Überhitzung und Beschädigung von Stecker oder Inlet führen kann. Im Projekt AKoS wird deshalb ein einfach aufgebautes Klemmsystem entwickelt, dass die Kontaktkraft während des Ladevorganges mittels Aktoren aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) erhöht. Die FG-Aktoren werden dabei ohne weitere Energiezufuhr allein durch die Erwärmung der Kontaktelemente aktiviert.
Ausgangslage
Durch den hohen Übergangswiderstand zwischen den Kontakten in Ladestecker und Fahrzeuginlet treten insbesondere beim Gleichstrom-Schnellladen starke Wärmeentwicklungen auf. Durch die stetige Zunahme der zu übertragenden elektrischen Leistung, gewinnen diese thermischen Probleme zudem immer mehr an Bedeutung.
Derzeit begegnet man dieser Herausforderung durch eine aktive Kühlung der Kontakte. Dabei zirkuliert ein Kühlmittel durch den Ladestecker, um die während des Ladevorgangs entstehende Wärme aufzunehmen und abzuleiten. Neben dem enormen technischen und wirtschaftlichen Aufwand erhöht das Vorhandensein eines Kühlsystems im Stecker auch das Risiko von Kurzschlüssen.
Ziele
Ziel des Verbundvorhabens AKoS ist die Minimierung des Übergangswiderstand zwischen Fahrzeuginlet und Ladestecker während des Ladevorgangs, um einer Erwärmung vorzubeugen, die Effizienz der Leistungsübertragung zu erhöhen und um letztendlich auf ein Kühlsystem verzichten zu können. Erste Versuche mit dem FGL-basierten Klemmmechanismus zeigen eine Reduktion des Übergangswiderstandes um 60%. Durch weitere Optimierungen soll dieser Wert auf 100% gesteigert werden.
Mit FGL steht dabei ein innovativer thermosensitiver Werkstoff zu Verfügung, der bei Aktivierung große Kräfte und Stellwege aufbringen kann. Die beim Laden auftretende Erwärmung wird für die Aktivierung der FGL genutzt, sodass der Aktor energieautark und selbstgeregelt die Kraft erhöht, sobald die Kontaktbuchse im Ladestecker eine definierte Temperatur überschreitet. Somit wird der weiteren Erwärmung entgegengewirkt. Dank des selbstregelnden Verhaltens der FGL wird keine zusätzliche Sensorik benötigt.
AKoS soll die Grundlage dafür schaffen, dass zukünftig auf komplexe und bei Anschaffung sowie Betrieb kostenintensive Wasserkühlungen in HPC-Ladesäulen verzichtet werden kann. Weiterhin wird durch das neuartige FGL-basierte Klemmsystem der Wirkungsgrad des Ladevorgangs erhöht, da einerseits die Verlustwärme reduziert und andererseits die Energie für den Betrieb des Kühlsystems eingespart wird. Dies trägt entscheidend zur Reduktion der CO2-Emissionen bei der Herstellung und dem Betrieb von HPC-Ladesäulen bei.
Durch das im Verbundvorhaben AKoS entwickelte und erprobte autarke Kontaktklemmsystem für CCS-Ladestecker kann der Ausbau der Schnellladeinfrastruktur unterstützt und damit die Akzeptanz der Elektromobilität gesteigert werden.
Konsortium Kunststoffverarbeitung Hoffmann GmbH, Comtronic GmbH, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Programms „Elektro-Mobil“ gefördert.
