Ladezeit von Fahrzeugen minimieren Hochvolt-Ladeleitungssatz: Laden in weniger als fünf Minuten

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Soll das Elektrofahrzeug schnell geladen werden, ist ein höherer Ladestrom notwendig. Somit entsteht mehr Verlustleistung und es droht letztendlich eine Überhitzung des Ladeleitungssatzes. Der gekühlte HV-Ladeleitungssatz mit CCS2-Standard von Voss Automotive, Amphenol-Tuchel Electronics und der GG Group schafft Abhilfe.

Im Jahr 2024 wurden in Deutschland 380.609 batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) neu zugelassen, was einem Rückgang von 27,4 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Der Anteil der BEV an den gesamten Neuwagenzulassungen lag bei 13,5 Prozent. Die Gründe sind vielfältig: Die hohen Anschaffungspreise, begrenzte Reichweiten, fehlende Infrastruktur und lange Ladezeiten.

Die Verkürzung der Ladezeit ist in erster Linie eine technologische Herausforderung. Diese wurde von einem Zusammenschluss von Voss Automotive, Amphenol-Tuchel Electronics und der GG Group adressiert. Gemeinsam entwickelten sie einen fahrzeugseitigen Hochvolt-Ladeleitungssatz, der eine Ladezeit auf unter fünf Minuten reduzieren könnte.

Die Gefahr der Überhitzung

Eine Flüssigkeitskühlung der verschiedenen Antriebssystemkomponenten, wie Inverter, E Maschine oder Hochvoltbatterie, ist heute der Status Quo bei Elektrofahrzeugen. Andere Komponenten, wie die elektrischen Leitungen zwischen den Systemen oder auch die Ladeleitung zwischen Batteriepack und Lade-Inlet, sind ungekühlt. Um an diesen Stellen eine Überhitzung zu vermeiden, müssen die Ladeströme dosiert werden – das führt zu einer Verlängerung der Ladezeit. Die verschiedenen Lösungsansätze, die bisher verfolgt wurden, gehen mit großen Einschränkungen an anderer Stelle einher: So haben Busbars beispielsweise ein immenses Gewicht und unflexible Leitungen, was bei der Verarbeitung und dem Handling Nachteile mit sich bringt.

Ein neuer Ansatz: Integrierte Wärmeableitung

Diese Limitationen lässt die Innovation hinter sich. Der Hochvolt-Ladeleitungssatz besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: Der Ladeleitung Power2Flow, der CCS2-Ladebuchse Chargesok sowie einer Batterieanbindung und einem integrierten Thermomanagementsystem zur effizienten Kühlung der Komponenten. Durch die integrierte Wärmeableitung kann so die Stromtragfähigkeit um rund 70 Prozent erhöht werden – und das bei deutlich reduziertem Leiterquerschnitt im Inneren des Ladesystems. Das heißt: Das Laden mit bis zu 1 MW ist möglich.

Im Zentrum der Neuentwicklung steht eine hochqualitative HV-Ladeleitung, die von einer robusten Isolationsschicht umhüllt ist. In ihrem Inneren befindet sich eine Litze aus Aluminium oder auch wahlweise Kupfer, die die elektrische Leistung überträgt. Der reduzierte Querschnitt ermöglicht eine hohe Flexibilität und Beweglichkeit der Leitung. Der Voss Kunststoffwärmetauscher, ein mehrschichtiges Kunststoffrohr in Kombination mit etablierten Stecksystemen des Anbieters, transportiert das Kühlmedium im Inneren des Kabels und gewährleistet so die notwendige Kühlung von der Batterieanbindung direkt bis in die Ladebuchse, wo die größte Wärme entsteht.

Dafür wurden verschiedene Kabel-Typen auf ihr Wärmeverhalten verglichen. Die Temperaturentwicklung bei einer Belastung mit 600 A über einen gewissen Zeitraum zeigt, dass übliche Leitungssysteme eine starke thermische Begrenzung aufweisen. Sie erleiden eine deutliche Erhitzung, während die gekühlte Leitung sich schnell auf einem niedrigen Niveau einpendelt (Bild 1).

Wie funktioniert das? Der Kunststoffwärmetauscher hat eine innere Schicht, die elektrisch ableitfähig ist – das ist bei Kühlflüssigkeiten der Immersionskühlung notwendig. Eine weiche äußere Schicht ist thermisch sehr gut leitfähig, eine mittlere Schicht fungiert als elektrische Isolierung. Durch diese hohe Wärmeableitfähigkeit kann ein sehr guter Wärmeübertrag und damit eine Querschnittsreduzierung des elektrischen Leiters erzielt werden.

Verschiedene Kabel im Vergleich

Stellt man die verschiedenen Kabel-Typen mit den signifikanten Kategorien wie Wärmeableitfähigkeit, Gewicht, Toleranzausgleich, Installationsraum, Montage und automatisierte Montagemöglichkeiten sowie Biegsamkeit gegenüber (Bild 2), zeigt der gekühlte Ladeleitungssatz ganz klar die beste Performance über alle Bereiche hinweg. Vor allem in den Kategorien Wärmeableitung und Gewicht, die für das Thema Überhitzungsgefahr und Reichweite relevant sind, kann lediglich der formstabile Flachleiter eine positive Bewertung aufweisen – das gekühlte Ladekabel übertrifft diesen dennoch mit einer sehr positiven Bewertung. Damit zeigt sich, dass die Innovation eine signifikante Verbesserung zu den gängigen Lösungen und ein Durchbruch für die Ladetechnologie ist. Die Nutzbarkeit und Alltagstauglichkeit zeigt sich in den Kategorien Biegsamkeit und Installationsraum – diese beeinflussen sowohl die Montagefreundlichkeit als auch das Handling für Automobilhersteller.

Vom Kabel in die Dose

Auch die Schnittstelle zur Ladeinfrastruktur wurde verbessert und wird durch den leistungsoptimierten CCS2-Ladeanschluss Chargesok abgebildet. Hier erfolgt eine gezielte Kühlung an der Entstehungsstelle der Erhitzung und sorgt so für eine effizientere Wärmeabfuhr. Das Direktkühlungskonzept mit integriertem Wärmetauscher lässt die Gleichstrom-Kontaktkammern aktiv von einem Kühlmedium umströmen. Wird die Temperaturentwicklung an den elektrischen Kontakten betrachtet (Bild 3), ist das Ergebnis noch deutlicher als entlang des ganzen Kabels: Während bei gängigen Kabellösungen die Temperatur hier ihren Höhepunkt erreicht, kann sie durch die integrierte Kühlung in dem Ladeleitungssatz sogar gesenkt werden. Mögliche Kühlmedien sind sowohl konventionelle Wasser-Glykol-Gemische als auch Immersionsflüssigkeiten.

Meilenstein für die Ladeschnelligkeit

Mit dem fahrzeugseitigen Hochvolt-Ladeleitungssatz (Bild 4) setzt der Zusammenschluss aus Experten von VOSS Automotive, Amphenol-Tuchel Electronics und der GG Group einen neuen Standard: Das Thema der Überhitzung und die dadurch limitierte Stromtragfähigkeit können durch eine Direktkühlung am Ladeleitungssatz und der Ladedose gelöst werden.

Damit ist das Laden mit bis zu 1 MW möglich, was die Ladezeit eines durchschnittlichen Elektrofahrzeugs auf unter 5 Minuten senkt.

 (se)

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* Andreas Suhr ist Produktmanager bei VOSS Automotive.

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