Adaptive Kontaktlösungen für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen - AKoS

Herausforderung

Steckverbinder für Elektrofahrzeuge (electrical vehicle – EV) sind wichtige Komponenten beim Gleichstrom-Schnellladen, da sie eine hohe Leistung übertragen und sowohl Energieeffizienz als auch Ladedauer beeinflussen. Der Kontaktwiderstand, also der elektrische Widerstand an der Schnittstelle zwischen zwei Leitern, ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung von EV-Steckern beeinflusst und beschränkt.

Insbesondere beim Gleichstrom-Schnellladen mit Ladeleistungen über 150 kW treten durch hohe Kontaktwiderstände zwischen Ladekabel und Fahrzeuganschluss thermische Probleme auf. Aufgrund hoher Ladeströme kann es durch joulesche Erwärmung an den Kontaktstellen zur Überhitzung und Beschädigung von Ladekabel und Fahrzeuginlet kommen. Derzeit werden Fluid-Kühlsysteme eingesetzt, um diesen thermischen Problemen entgegenzuwirken. Hier führen Fluid-Kanäle, die in Ladekabel und Kontaktelemente integriert sind, entstehende Wärme ab. Derartige Systeme reduzieren jedoch die Energieeffizienz, da sowohl Energieverluste bei der Erwärmung des Steckverbinders auftreten als auch zusätzliche Energie für den Betrieb des Kühlaggregats benötigt wird. Zusätzlich sind Anschaffung und Wartung eines solchen Kühlsystems mit personellem und finanziellem Aufwand verbunden.

Lösung

Alternativ ist es möglich, den Kontaktwiderstand zu reduzieren, indem die Kontaktnormalkraft zwischen Kontaktbuchse und -stift erhöht wird. Da sich die Kontaktnormalkraft proportional zur Einsteck- und Ausziehkraft eines Ladesteckers verhält, kann diese nur während des Ladens erhöht werden. Zur Erhöhung der Kraft eignen sich auf Formgedächtnislegierungen (FGL) basierende Aktorsysteme besonders.

Mit FGL steht ein thermosensitiver Werkstoff zu Verfügung, der bei Aktivierung bzw. Umwandlung große mechanische Spannungen und Dehnungen aufbringen kann. Dieser Effekt kann genutzt werden, um die Kontaktnormalkraft aktiv zu erhöhen, wenn die Kontaktstelle am Ladestecker eine definierte Temperatur überschreitet. Die beim Laden auftretende Erwärmung wird für die Aktivierung der FGL genutzt, sodass der FG-Aktor energieautark und selbstgeregelt die Kraft erhöht. Mit bis zu 1.000.000 zyklischen Lastwechseln weisen FGL zusätzlich eine hervorragende Langzeitstabilität auf.

Durch die Kontaktkrafterhöhung mittels FGL kann der Kontaktwiderstand erheblich gesenkt werden. Dies reduziert die Wärmeentwicklung, sodass auf eine aktive Kühlung verzichtet werden kann und entsprechend Komplexität und Fehleranfälligkeit gesenkt werden. Dies trägt nicht nur zur Vermeidung von Ausfallzeiten und Reparaturkosten bei, sondern auch zur Steigerung der Ladeeffizienz und des Nutzerkomforts durch Gewichtsreduktion. Darüber hinaus kann ein solches aktives Steckverbindersystem dazu beitragen, die Lebensdauer von Steckverbindern zu verlängern und somit auch Wartungskosten zu senken.