Wie schnelles Laden die Ladelandschaft für Elektrofahrzeuge verändert

Das schnelle Gleichstromladen von Elektrofahrzeugen (EVs) könnte der Schlüssel zur Linderung der Reichweitenangst sein, von der viele glauben, dass sie die Einführung von Elektrofahrzeugen einschränkt. Mit einer robusten Ladeinfrastruktur, die das Aufladen der Batterie in 20 Minuten statt in 4 Stunden ermöglicht, kommt das Laden von Elektrofahrzeugen viel näher an das Erlebnis heran, das Fahrer beim Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (ICE) gewohnt sind.

Diese Infrastruktur ist heute noch nicht vollständig entwickelt, wächst jedoch und wird für mehr Fahrzeuge zugänglich. Mehrere Hersteller von Elektrofahrzeugen haben kürzlich den Ladeanschluss für Elektrofahrzeuge von Tesla übernommen und Tesla ist derzeit Marktführer bei der Bereitstellung von Schnellladeanschlüssen. Eine von Sensience in Auftrag gegebene Studie geht davon aus, dass DC-Schnellladen bis 2030 weltweit mehr als 70 Prozent der öffentlichen Ladevorgänge ausmachen wird (Abbildung 1).

Abbildung 1. Prognostiziertes Wachstum beim Gleichstrom-Schnellladen bis 2030. (Bild:Sensience)

Während schnelles Laden das Wachstum auf dem Markt für Elektrofahrzeuge vorantreiben könnte, legt es auch die Messlatte für das Wärmemanagement in der gesamten Ladekette für Elektrofahrzeuge höher. Gleichstrom-Schnellladegeräte geben eine Leistung zwischen 50 und 350 kW ab, verglichen mit den typischen 7 bis 19 kW für Ladegeräte der Stufe 2. Selbst bei den höheren Spannungen, die bei DC-Schnellladegeräten üblich sind, erzeugen diese Anschlüsse deutlich mehr Wärme als Ladeanschlüsse der Stufe 2. Ein effektives Wärmemanagement wird daher wichtiger denn je, um Temperaturen zu verhindern, die die Batterielebensdauer verkürzen, die Ladeeffizienz verringern und Sicherheitsrisiken mit sich bringen können.

Eine Komponente eines effektiven Wärmemanagements, die manchmal bis spät in den Designprozess übersehen wird, ist die Spezifikation der Temperatursensoren, die es Batterie- und Fahrzeugmanagementsystemen ermöglichen, schnell und intelligent auf Temperaturänderungen entlang der Ladekette des Fahrzeugs zu reagieren.

Die Rolle von Temperatursensoren in der Ladekette von Elektrofahrzeugen

In der gesamten Ladekette werden Sensoren eingesetzt. Die offensichtlichste Anwendung liegt in der Batterie selbst, wo das Wärmemanagement höchste Priorität hat. Die Platzierung des Sensors innerhalb der Batterie wird durch das Design und die Größe der Batterie bestimmt. Ein einzelner Sensor erweist sich jedoch in der Regel als unzureichend, da er möglicherweise keine heißen Zonen erkennt, die während des Schnellladens in Zellen oder Modulen entstehen können. Idealerweise möchten Sie die Möglichkeit haben, die Temperaturen der Batteriezellen an mehreren Standorten direkt zu überwachen und die Wärmeverteilung innerhalb des Gesamtpakets zu verstehen.

Das Bordladegerät stellt eine einfachere, aber immer noch kritische Umgebung für Temperatursensoren dar, da die Sensorüberwachung die Kühlsysteme auslöst, die für die Wärmeverwaltung während des Schnellladens erforderlich sind. Da innerhalb der Komponente weniger Temperaturschwankungen auftreten, sind weniger Sensoren erforderlich.

Der Ladeanschluss des Fahrzeugs ist eine weitere wichtige Anwendung für Temperatursensoren in der Ladekette. Temperatursensoren werden sowohl im Ladeeingang des Fahrzeugs als auch in der Ladepistole verwendet, um die Temperaturen der elektrischen Kontakte zu überwachen. Diese Rückmeldung sorgt für einen Sicherheitsstopp im Falle unbeabsichtigter Phänomene, die durch Beschädigung oder Verschmutzung der Zinken verursacht werden. Während des Schnellladens können die Temperaturen am Ladeeingang am höchsten sein, daher sollte den Spezifikationen der in dieser Anwendung verwendeten Sensoren besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Ebenso wichtig sind die in das Kühlsystem integrierten Sensoren, die Batterie, Bordladegerät und Leistungselektronik vor Überhitzung schützen. Die in Elektrofahrzeuge integrierten intelligenten Kühlsysteme sind nur so effektiv wie die Sensoren, die sie unterstützen.

Sensoren für die Ladekette für Elektrofahrzeuge spezifizieren

Ein hohes Maß an Genauigkeit ist bei jeder Anwendung zur Temperaturmessung unerlässlich, ist jedoch in der Ladekette für Elektrofahrzeuge besonders wichtig, da dort ein enges Temperaturfenster vorhanden ist, in dem Batterien mit Höchstgeschwindigkeit geladen werden können. Eine geringe Sensorgenauigkeit kann die Ladeeffizienz verringern, da der Ladevorgang möglicherweise verlangsamt werden muss, um die Fehlertoleranz des Sensors auszugleichen, selbst wenn die tatsächlichen Temperaturen im gewünschten Bereich liegen. Sensoren mit höherer Genauigkeit reduzieren den Grad, in dem Fahrzeugsysteme Sensorungenauigkeiten berücksichtigen müssen, und ermöglichen möglicherweise ein schnelleres Laden über längere Zeiträume.

Ein weiteres entscheidendes Merkmal von Temperatursensoren für Elektrofahrzeuge ist die Reaktionszeit bzw. die Zeit zwischen der Messung der Temperatur und der Übermittlung der Temperatur und der Möglichkeit, darauf zu reagieren. Verschiedene Sensortypen haben unterschiedliche Reaktionseigenschaften und innerhalb jedes Typs kann die Reaktionszeit durch Sensorkonfiguration optimiert werden.

Beispielsweise ermöglicht bei Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) ein Metallkörper aufgrund seiner verbesserten Leitfähigkeit eine schnellere Reaktion als ein Kunststoffkörper; Allerdings erhöht das Metallgehäuse die Sensorkosten und diese Kosten müssen gegen den Wert einer schnelleren Reaktion in einer bestimmten Anwendung abgewogen werden. Wenn die Temperaturen nicht so hoch sind oder von einem Kühlsystem gesteuert werden, wie es bei Schlüsselkomponenten der Ladekette für Elektrofahrzeuge der Fall ist, sind steigende Kosten zur Erreichung der schnellstmöglichen Reaktionszeit möglicherweise nicht gerechtfertigt. Eine Ausnahme bildet der Ladeanschluss, bei dem die Optimierung der Reaktionszeit eine höhere Priorität haben sollte.

Der andere Faktor, der bei der Sensorauswahl berücksichtigt werden muss, ist die Wartungsfreundlichkeit – oder deren Fehlen. Sensoren sind im Allgemeinen so in die Ladekette von Elektrofahrzeugen integriert, dass ein Austausch im Falle eines Fehlers unpraktisch ist. Fällt ein Sensor aus, muss die gesamte Komponente ausgetauscht werden. Daher ist Zuverlässigkeit das wichtigste Merkmal für Temperatursensoren, die in der gesamten Ladekette von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.

Glücklicherweise unterscheiden sich die Anwendungen für Temperatursensoren bei Elektrofahrzeugen von denen bei Verbrennungsmotoren, die verwendeten Sensortechnologien sind jedoch ähnlich. Die Herstellungsprozesse für diese Technologien sind ausgereift und profitieren von der Automatisierung, die eine gleichbleibende Qualität ermöglicht. Test- und Kalibrierungsprozesse sind ebenfalls gut verstanden und können dazu beitragen, eine vorhersehbare Zuverlässigkeit und Leistung in dieser Anwendung sicherzustellen.

Bewertung von Sensortechnologien für die Ladekette von Elektrofahrzeugen

Abbildung 2. Die Platzierung des Sensors ist bei Batterien für Elektrofahrzeuge besonders wichtig, da die Temperaturen innerhalb der Batterie variieren können.

Für Elektrofahrzeuge kommen typischerweise drei Temperaturerfassungstechnologien in Betracht:Thermoelemente, NTC-Thermistoren und Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs).

Thermoelemente erzeugen als Reaktion auf eine Temperaturänderung eine kleine Spannung, die proportional zur Temperaturänderung ist. Diese Sensoren sind im Allgemeinen kostengünstig, eignen sich jedoch nicht gut für die Ladekette von Elektrofahrzeugen. Sie können für Testingenieure in Hochspannungsumgebungen wie Elektrofahrzeugbatterien ein Sicherheitsrisiko darstellen, ihre Genauigkeit kann durch elektrisches Rauschen beeinträchtigt werden und ihre Reaktionszeit ist langsamer als normalerweise erforderlich.

Bei einem NTC-Thermistor nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Diese Technologie bietet eine gute Genauigkeit bei kompakter Größe, die die Integration in enge Räume ermöglicht. Die Reaktionszeit und die Widerstands-Temperatur-Kurve von NTC-Thermistoren können außerdem so konfiguriert werden, dass sie eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen erfüllen, einschließlich derjenigen der verschiedenen Komponenten innerhalb der Ladekette. Sie stellen daher eine ideale Lösung für diese Anwendungen dar, da sie effizient an Designanforderungen angepasst werden können und sich seit Jahrzehnten in Automobilanwendungen bewährt haben.

Bei einem RTD steigt der Widerstand mit steigender Temperatur. Diese Sensoren liefern im Allgemeinen eine höhere Genauigkeit und haben einen größeren Betriebsbereich als NTCs; Allerdings sind sie auch teurer und die Vorteile dieser Technologie bieten im Allgemeinen keinen Mehrwert für Anwendungen in der Ladekette von Elektrofahrzeugen. Angesichts des ständigen Drucks, die Kosten zu senken, können Konstrukteure feststellen, dass sie mit NTC-Thermistoren die erforderliche Leistung zu geringeren Kosten erreichen.

Entwerfen mit Genauigkeit und Zuverlässigkeit

Da schnelles Laden immer häufiger vorkommt, wird eine präzise und zuverlässige Temperaturmessung in der gesamten Ladekette auch bei der Weiterentwicklung der Batterietechnologien von entscheidender Bedeutung bleiben. Der Schlüssel zur effektiven und kosteneffizienten Integration von Temperatursensoren in neue Designs liegt in der Entwicklung von Spezifikationen und der Auswahl eines Lieferanten während der Prototypenentwicklung. Dies ermöglicht effizientere Prozesse, trägt dazu bei, dass Sensoren die Anwendungsanforderungen kosteneffizient erfüllen, und verringert das Risiko, dass Änderungen erforderlich sind, wenn das Design vom Prototyp zur Produktion übergeht.

Dieser Artikel wurde von Phil Thibodeau, Produktmanager, Transport, Sensience (Westerwille, OH) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .