Effizientes Laden von Elektrofahrzeugen – durch Simulation mit CST Studio Suite

Verbindung zwischen der Fahrzeugbatterie und der Ladestation

Heutzutage gibt es große Anforderungen an Hochleistungsladestationen für Elektroautos (EVs). Der wachsende Markt für EVs und die steigende Nachfrage nach schnelleren Ladezeiten treiben diese Entwicklung voran. Hochleistung-DC-Schnellladestationen finden in der Elektrofahrzeugindustrie vielfältige Anwendung, um eine schnelle Aufladung der EV-Batterien zu ermöglichen. Fahrzeug-Ladestecker sind entscheidende Komponenten, die eine reibungslose Verbindung zwischen der Batterie des EVs und der DC-Ladeleitung ermöglichen. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf diese Stecker und die dazugehörigen Ladeleitung. CST Studio Suite ermöglicht ein effizientes Design durch gekoppelte elektromagnetische (EM) und thermische Simulationen.

Notwendigkeit der Simulation

DC-Ladestationen liefern hohe Leistungsstufen und erzeugen dabei erhebliche Wärme. Diese Wärme kann die Effizienz und Sicherheit des Ladesystems beeinträchtigen. Diese hohen Temperaturen machen den Einsatz von Flüssigkeitskühlungen erforderlich. Eine gekoppelte elektromagnetische-thermische Simulation spielt eine entscheidende Rolle dabei, die Entwicklungsphase zu beschleunigen und zu vereinfachen. Die wichtigsten Aspekte wie Wärmemanagement, Effizienzoptimierung und Designvalidierung können durch diese Simulationen verbessert werden.

Lademethoden für Elektrofahrzeuge

Die Ladestation bietet drei Leistungsstufen für Elektrofahrzeuge:

Stufe 1: Das Laden mit einem Ladeadapter an einer Standard-Haushaltssteckdose mit bis zu 7.4 kW Leistung stellt die langsamste Methode dar. Diese Methode eignet sich gut für das nächtliche Laden zu Hause.

Stufe 2: Eine Steckdose mit höherer AC-Spannung ist für private und öffentliche Ladestationen geeignet. Ein 3-phasiger Strom mit 400 V Spannung ermöglicht höhere Leistungen. Er bietet eine Leistung von 7.4 kW bis 22 kW.

Stufe 3: DC-Schnellladen versorgt die Fahrzeugbatterie direkt mit Gleichstrom und umgeht dabei den Onboard-Lader. Die Geschwindigkeit des Schnellladens hängt sowohl von der verwendeten Ladestation als auch von der maximalen Ladeleistung ab, die das Fahrzeug verarbeiten kann. Diese Methode ist ideal für Langstreckenfahrten, bei denen schnelle Zwischenladungen notwendig sind.

Betrachten wir die verschiedenen Stufen an einem Beispiel. Das Merzedes-Benz Modell EQS 450+ verfügt über eine 107 kWh Batterie, welche eine Reichweite von 635km ermöglicht [1].

Tabelle 1. [1] zeigt die verschiedenen Möglichkeiten, den Mercedes-Benz EQS 450+ mit Wechselstrom (AC) zu laden. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Lademethoden in bestimmten Ländern möglicherweise nicht flächendeckend verfügbar sind.

Tabelle 1: Möglichkeiten, den Mercedes-Benz EQS 450+ mit Wechselstrom zu laden

Schnellladen der Stufe 3 ermöglicht längere Fahrten, indem in kürzester Zeit maximale Reichweite hinzugefügt wird. Sobald jedoch 80 % der Batteriekapazität erreicht sind, reduziert sich die Ladeleistung erheblich.
Tabelle 2 [1] fasst die Informationen zum Schnellladen des Mercedes-Benz EQS 450+ zusammen, einschließlich der maximalen DC-Leistung von 207 kW.

Tabelle 2: Möglichkeiten, den Mercedes-Benz EQS 450+ mit Gleichstrom zu laden

Standards für DC-Schnellladen

Mit dem steigenden Bedarf an Schnellladen von EVs wächst auch die Notwendigkeit eines durchdachten Designs für DC-Ladestationen. Weltweit haben sich dafür verschiedene Standards entwickelt. Bild 1 zeigt die drei etablierten DC-Schnellladestandards, die je nach Autohersteller und Herkunftsland variieren.

• CHAdeMO: hauptsächlich von japanischen und koreanischen EV-Herstellern wie Nissan und Kia verwendet.
• CCS (Combined Charging System):
  • globaler Standard, entwickelt von führenden Automobilherstellern in Nordamerika und Europa.
  • AC- und DC-Ladefähigkeiten in einem Stecker.
  • Laden mit Level 1, Level 2 und DC-Schnellladern mit demselben Stecker.
  • Typ 1 in den USA, Typ 2 in Europa
• Tesla Supercharger:
  • proprietäres DC-Schnellladenetzwerk, das von Tesla betrieben wird.
  • Nutzbar ausschließlich von Tesla-Fahrzeugen

Abbildung 1: Arten von Steckern für Elektrofahrzeuge

Beispielhafte Datenblattinformationen einer DC-Ladestation (CCS)

Die Entwicklung und Integration von Hochleistungsladestationen sind wesentliche Schritte zur Förderung der Elektromobilität.
Tabelle 3. zeigt die wichtigsten Parameter und die entsprechenden Beispieldaten aus dem Datenblatt von Phoenix Contact, die für ein effizientes EV-Ladestation entscheidend sind:

Tabelle 3: Wichtigste Parameter und entsprechende Werte für eine effiziente EV-Ladestation

Komponenten der Ladestation

Die Entwicklung einer effizienten und leistungsfähigen DC-Ladestation erfordert einen präzisen und methodischen Ansatz. In diesem Abschnitt unseres Blogs werden die Komponenten der Ladestation vorgestellt, die wir modelliert haben. Bild 2. zeigt den gesamten Ladestecker mit dem verbundenen Ladekabel sowie eine vergrößerte Darstellung des Steckverbinders und der Batterie. Der Steckverbinder besteht aus Stiften (rote Teile), die mit dem Ladekabel verbunden sind, und der Fahrzeugbuchse (lila Teile), die im Elektrofahrzeug integriert wird und mit der Batterie verbunden ist. Diese mechanischen Teile stellen den elektrischen Kontakt her. Die anderen Teile in Bild 2 sind:

• Kabel: Die Leitungen, durch die der Strom fließt.
  • Ladestrom: 500 A
  • Durchmesser der PTFE-Ummantelung: 36 mm
  • Leiterstruktur: 4 × 25 mm²
• Kühlung
  • Kühlschlauchdurchmesser: 1 × 11,5 mm + 2 × 8,8 mm
  • Einlauftemperatur: 15°C
  • Durchflussrate: 2 l/min Wasser

Abbildung 2: Gesamter Ladestecker mit dem Ladekabel und vergrößerte Darstellung des Steckverbinders

Einrichtung einer Multiphysik-Simulation (EM-Thermische Kopplung)

Die Simulationseinstellungen in CST Studio Suite umfassen:

• Materialdefinition: Das Modell besteht aus metallischen Steckverbindern, der Wasserkühlung, den Rohrleitungen, den Kupferkabeln, dem Griff des Ladesteckers aus Kunststoff und dem äußeren Mantel des Kabels. Diese Materialien wurden aus der CST-Bibliothek entnommen.
• Randbedingungen für elektromagnetische und thermische Simulationen
• Definition des Hintergrunds für EM und thermische Simulationen
• Auswahl des „Stationary Current“-Solvers für elektromagnetische Simulation und „CHT“-Solvers für thermische Simulation
• Quellen für die EM-Simulation mit “Current Port” definieren
• Definition der Kühlparameter, z. B. Wassereinlass mit definierter Temperatur und Durchflussrate, für die thermische Simulation

Elektromagnetische Simulation

Die elektromagnetische Simulation umfasst verschiedene Analysen und Visualisierungen. Die Berechnung der Gesamtverluste und die Spannungsverteilung werden in Bild 3 dargestellt. Bezugnehmend auf die Tabelle in Abbildung 3 betragen die Gesamtverluste an der Ladestation 448 Watt.

Abbildung 3: Gesamtverluste und die Spannungsverteilung

Thermische Simulation

Die thermische Simulation stellt eine Herausforderung dar, insbesondere in Bezug auf die Netzstruktur für große Modelle. Das Modell ist groß und erstreckt sich in den x-, y- und z-Richtungen, was bedeutet, dass das Netz in allen drei Richtungen möglichst fein sein muss. Die Netzgröße muss ausreichend klein gewählt werden, um durch die Simulation konvergente Ergebnisse zu erzielen. Ist die Anzahl der Netzpunkte jedoch nicht ausreichend groß, werden die Konvergenzkriterien selbst nach vielen Iterationen nicht erfüllt, was die Genauigkeit der Simulationsergebnisse beeinträchtigen kann. Daher umfasst das Netz mehr als 16 Millionen Elemente. Bild 4 zeigt die CFD-Netzstruktur des Modells. Eine derart feine Netzstruktur erfordert erheblich mehr Zeit für eine präzise Simulation. Daher ist die Betrachtung der Konvergenzkriterien wie “Equation Balances” von großer Bedeutung. “Equation Balances” drücken aus, wie gut bestimmte physikalische Größen wie die Masse oder die Energie im gesamten Berechnungsgebiet erhalten bleiben.

Abbildung 4: CFD-Netzstruktur des Modells für CHT-Simulation

Die Wärmetransportgleichung, Turbulenzgleichung, Impulsgleichung und Druckgleichung werden durch CST mit dem CHT-Solver gelöst, um alle wichtigen Parameter wie die Temperaturverteilung und die Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit berechnen zu können. Bild 5 zeigt, wie sich die „Equation Balances“ mit mehreren Iterationen reduzieren und wie die Gleichungen konvergieren.

Abbildung 5: Equation Balances

Ergebnisse und Validierung

In diesem Abschnitt betrachten wir die thermische Verteilung bei einer Stromstärke von 350 A. Bild 6 zeigt die Temperaturverteilung unter dieser Belastung.

Abbildung 6: Temperaturverteilung unter einer Belastung von 350 A Stromstärke.

Die Temperatur reicht von 15 °C bis 30 °C. Der heißeste Bereich des Kabels befindet sich in der Mitte der Kabelummantelung mit einer Temperatur von 26 °C. Der Griff des Kabels weist ebenfalls eine Temperatur von 25 °C auf. Der heißeste Teil des Steckverbinders erreicht 29 °C.

Zunächst haben wir Ladestationen mit einer Stromstärke von 350 A modelliert und simuliert, die häufig für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden. In einem weiteren Schritt erhöhen wir die Stromstärke auf 500 A, um die Auswirkungen dieser Erhöhung auf das Schnellladen in modernen Ladestationen zu analysieren. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der erhöhten Stromstärke und der daraus resultierenden Temperatursteigerung.

Nun betrachten wir die thermische Verteilung bei einer Stromstärke von 500 A. Bild 7 zeigt die Temperaturverteilung unter dieser Belastung. Die Temperatur reicht von 15 °C bis 42 °C. Der heißeste Bereich des Kabels befindet sich in der Mitte der Kabelummantelung mit einer Temperatur von 30 °C. Der Griff des Kabels weist eine Temperatur von 25 °C auf. Der heißeste Teil des Steckverbinders erreicht 42 °C.

Abbildung 7: Temperaturverteilung unter einer Belastung von 500 A Stromstärke

Diese Simulationen zeigen, wie sich die Temperaturverteilung bei unterschiedlichen Stromstärken verändert, und helfen dabei, die thermischen Herausforderungen bei der Entwicklung von Ladestationen zu identifizieren und zu lösen.

Nach unserer Erfahrung

Die Nutzung der CST Studio Suite zur Durchführung gekoppelter elektromagnetisch-thermischer Simulationen bietet entscheidende Vorteile bei der Entwicklung von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge:

• Erhöhte thermische Effizienz: Durch gezielte Simulationen kann die Wärmeabführung optimiert und die Gesamtleistung verbessert werden.
• Optimierung der Materialeigenschaften: Die Simulation hilft bei der Feinabstimmung der Materialeigenschaften wie thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärme von Komponente, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
• Geometrie der Schläuche: Die Analyse und Optimierung der Kühlgeometrie trägt zur besseren Wärmeableitung und Effizienz bei.
• Kürzere Entwicklungsphase: Durch frühzeitige Simulationen können Probleme schneller identifiziert und gelöst werden.
• Reduzierung der Prototypenprüfung: Simulationen verringern die Notwendigkeit für umfangreiche physische Prototypen und Tests, was Kosten und Zeit spart.

[1] https://ev-database.org/car/1483/Mercedes-Benz-EQS-450plus#charge-table