Flüssigkeitskühltechnik für Schnellladestationen

Die Flüssigkeitskühlung für Schnellladestationen kommt an zwei Stellen zum Einsatz: im Kabel- und Steckerbauteil sowie in den Leistungsmodulen im Gehäuse. Welche Zone die Ladeleistung einer Station begrenzt, hängt vom Dauerstrom, dem Leiterwiderstand, der Auslegungsumgebung und dem Betriebszyklus ab, nicht allein von der Nennleistung. Die publizierten Kabelklassen geben einen schnellen Überblick. Bei gleicher Nennspannung von 1000 V gibt ein Hersteller 375 A Dauerstrom ohne Kühlung und 800 A mit Kühlung an. Die Verluste im Gehäuse hängen von der Moduleffizienz ab und skalieren mit der Leistung. Beide Zonen werden separat spezifiziert, und viele Stationen kühlen nur eine.

Wie die Flüssigkeitskühlungstechnologie für Schnellladestationen funktioniert

Eine flüssigkeitsgekühlte Ladestation führt die Wärme von der Kabel- und Steckerbaugruppe, den Netzteilmodulen im Gehäuse oder von beiden ab, je nachdem, wo die Konstruktion an ihre Grenzen stößt. Die Architektur variiert je nach Produkt: separate Kühleinheiten pro Funktion oder ein integriertes Wärmemanagementsystem. Wärmetauscher Die aufgenommene Wärme wird abgeleitet, meist durch einen Außenluftkühler, obwohl auch Kühl- und Verdunstungskühlungen möglich sind. Die gelieferte Stromstärke, der Wirkungsgrad des Moduls und die Umgebungstemperatur am Standort bestimmen, wie viel Wärme der Kreislauf transportiert.

Die im Regelkreis integrierte Messtechnik steuert die Steuerlogik des Ladegeräts. Phoenix Kontakt Das Unternehmen veröffentlicht eine typische Konfiguration für seine gekühlten CCS-Baugruppen: Pt-1000-Sensoren im Stecker, ein Wasser-Glykol-Kühlmittel und eine Kühlmittelleckageerkennung durch die Isolationsüberwachung der Station vor Beginn einer Messung. Bei sinkendem Durchfluss oder steigender Kühlmitteltemperatur unterbricht die Steuerung den Ausgangsstrom, anstatt die Kontakttemperatur weiter ansteigen zu lassen. Die Schwellenwerte sind in den Inbetriebnahmedaten und nicht im Datenblatt enthalten.

Die gesamte Schleife dient dazu, eine Temperaturerhöhung über die Umgebungstemperatur zu erzielen, die unter den angegebenen Testbedingungen nachgewiesen wurde. IEC 62196-1 legt eine Typprüfungsanforderung von 50 K für die Anschlusstemperaturerhöhung im Ladestecker fest. Die Fußnote desselben Herstellers stellt klar: Die Dauerstrombelastbarkeit eines gekühlten Kabels hängt sowohl von den normativen Grenzwerten als auch von der verfügbaren Kühlleistung ab. Das Verhalten im praktischen Einsatz wird durch mehr als nur die Typprüfung bestimmt; dazu gehören Oberflächentemperaturgrenzwerte, der angegebene Betriebsbereich und die Überwachung durch die Station selbst.

Wenn die Verluste beim Umbau der Schränke die Kühllast dominieren

Die Verluste bei der Gehäuseumwandlung dominieren die Kühllast, wenn die Ineffizienz des Moduls mehr Kilowatt erzeugt, als Kabel und Stecker abführen. Die Ladeleistung allein reicht für diesen Vergleich nicht aus. Es bedarf der gemessenen Wirkungsgradkennlinie des Moduls sowie der Widerstands- oder Wärmemessdaten der Kabelbaugruppe.

Die Abwärme im Schaltschrank ergibt sich allein aus dem Wirkungsgrad: Q ≈ P × (1/η − 1). Bei einem Wirkungsgrad von 951 µm (TP4T) verbraucht ein 480-kW-Schaltschrank etwa 25 kW. Bei 981 µm (TP4T) verbraucht derselbe Schaltschrank etwa 10 kW, wodurch sich die relative Bedeutung der Kabel-, Sammelschienen- und Hilfsverluste deutlich ändert. Setzen Sie Ihre eigenen Werte in dieselbe Formel ein: Nehmen Sie die Nennleistung des Schaltschranks, teilen Sie diese durch den Volllastwirkungsgrad Ihres Moduls und subtrahieren Sie anschließend die Nennleistung.

Beide Effizienzwerte stammen aus einem veröffentlichte thermische Studie eines 20-kW-Gleichstrom-Lademoduls. Es werden etwa 961 T/4T bei einer Last von 45–551 T/4T und 951 T/4T bei Volllast angegeben. Diese Kurve bezieht sich auf das untersuchte Modul. Moderne Siliziumkarbid-Bauteile erreichen höhere Werte, daher muss die Wirkungsgradkennlinie für das tatsächlich spezifizierte Modul erstellt werden.

Die Verluste in Kabeln und Steckverbindern verhalten sich unterschiedlich, da Leiterquerschnitt, Kontaktwiderstand und Kabellänge eine Rolle spielen. Der Zusammenhang ist vorhersehbar: Die Joulesche Erwärmung skaliert quadratisch mit dem Strom, sodass sich die Leiterverluste bei konstantem Widerstand annähernd verdoppeln, wenn der Strom eines Kabels von 350 A auf 500 A erhöht wird.

Wenn man den Kühlkreislauf anhand des Typenschilds des Spenders dimensioniert, ohne den Wirkungsgrad des Moduls unter Volllast zu überprüfen, macht sich die Unterversorgung selten bemerkbar. Sie zeigt sich erst bei der ersten Hitzewelle durch unerklärliche Stromreduzierung. Die Untersuchung beginnt üblicherweise am Kabel, da dieses der sichtbare Teil ist.

Wahl zwischen Flüssigkeits- und Luftkühlung an einer Ladestation

Flüssigkeitskühlung ist an Ladestationen dann sinnvoll, wenn Dauerstrom, Leiterquerschnitt und Umgebungsbedingungen nicht mehr mit Luftkühlung vereinbar sind. Es gibt keine allgemeingültige Kilowattzahl, die diesen Punkt markiert. Einschaltdauer und zulässiges Kabelgewicht spielen dabei eine wichtige Rolle. Die veröffentlichten Daten eines Herstellers verdeutlichen die Unterschiede bei einer Nennspannung von 1000 V: 375 A Dauerstrom ohne Kühlung, 500 A und 800 A Dauerstrom mit Kühlung.

Der Unterschied zwischen diesen Stromklassen ist die zentrale technische Fragestellung. Bei gleichem Leiterwiderstand würde eine Erhöhung von 375 A auf 800 A den I²R-Verlust um etwa den Faktor 4,5 erhöhen. In der Praxis ist der Widerstand jedoch nicht konstant. Die ungekühlte Stromklasse erreicht ihre Nennleistung stattdessen durch einen größeren Leiterquerschnitt. Daher muss die Kühlleistung gegenüber dem Kupferwert abgewogen werden, wodurch Kabelgewicht und Handhabung die thermische Bewertung beeinflussen. Gekühlte Kabel werden unter anderem mit ihrem geringeren Gewicht und der einfacheren Handhabung beworben. Dies ist überall dort relevant, wo Verbraucher Geräte ohne fremde Hilfe anschließen.

Jede Zeile bildet den Ausgangspunkt für eine Spezifikationsdiskussion. Gleichzeitigkeitsfaktor, Leistungsverteilung, IP-Schutzart, Staub- und Salzbeständigkeit, Leistungsdichte des Gehäuses, Redundanz und lokale Vorschriften beeinflussen die Antwort. Die Architektur des Ladegeräteherstellers legt zudem fest, welche Zonen ein Käufer überhaupt separat spezifizieren kann.

Eine Ladestation am Arbeitsplatz mit einer Leistung von 60 bis 120 kW steht die meiste Zeit ungenutzt herum. Ein Flüssigkeitskreislauf erfordert zusätzliche Pumpen, Dichtungen, Kühlmittelkontrollen und birgt das Risiko eines Leckageausfalls – etwas, das für den Standort unnötig ist. Das Geld sollte besser in den Netzanschluss investiert werden.

Kabel- und Gehäusekühlung können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden, je nachdem, welche Zone zuerst ihre Leistungsgrenze erreicht. Die Kombination eines gekühlten Kabels mit einem luftgekühlten Gehäuse ist eine gängige Konfiguration im mittleren Leistungsbereich.

Auslegungsvariablen der Kühlplatte für Ladeschrank-Leistungsmodule

Die Leistung einer Kühlplatte in einem Ladeschrank hängt von vier interagierenden Variablen ab: der Kühlmitteleintrittstemperatur, dem Durchfluss im Verhältnis zum zulässigen Druckverlust, der Kanalgeometrie unterhalb der Verluststellen und der Schnittstelle zwischen Platte und Modulgrundplatte. Der Wärmestrom an der Verluststelle, nicht die Gesamtleistung des Moduls, bestimmt, wie stark die Geometrie beansprucht wird.

Die Einlasstemperatur wird außerhalb des Gehäuses eingestellt. In einem Trockenkühler, der ohne Verdunstungsunterstützung oder Kühlung arbeitet, bleibt die Kühlmittelvorlauftemperatur um die Annäherungstemperatur des Kühlers über der Umgebungstemperatur (Trockenkugeltemperatur). Eine Platte, die für eine Einlasstemperatur von 30 °C ausgelegt ist, erreicht nicht dieselbe Modultemperatur, wenn die Auslegungsumgebungstemperatur im Sommer 40 °C beträgt. Die Dimensionierungsgröße ergibt sich daher aus der Auslegungsumgebungstemperatur des Standorts zuzüglich dieser Annäherungstemperatur.

An der Schnittstelle weicht die gemessene Leistung von der Simulation ab. Die Ebenheit der Grundplatte, die Dicke des Schnittstellenmaterials und das Anzugsmoment beeinflussen den Kontaktwiderstand. Eine Platte, die in der Analyse die Zielvorgabe erfüllt, kann diese dennoch verfehlen, sobald die Modulgrundplatte außerhalb der für das Schnittstellenmaterial festgelegten Ebenheitstoleranz liegt.

Die Spezifikation für Kühlplatten von Ladeschränken sollte mindestens Folgendes enthalten:

• Wärmelast pro Modul und Wärmestromdichte im Bereich des Hotspots, wobei die Anzahl der Module eine gemeinsame Platte oder einen gemeinsamen Verteiler berücksichtigt.
• Angestrebter Wärmewiderstand vom Kühlmittel zur Modulgrundplatte und die von ihm geschützte Temperaturgrenze der Grundplatte
• Auslegungsdurchflussrate, zulässiger Druckverlust und Toleranz der Durchflussverteilung in parallelen Modulen an einem gemeinsamen Verteiler
• Kühlmittelauswahl, Glykolkonzentration und Inhibitorpaket sowie alle medienberührenden Materialien – Aluminiumplatten gepaart mit Kupfer- oder Messingarmaturen öffnen ein galvanischer Korrosionspfad Der Inhibitor muss abdecken
• Prüfdruck, zulässige Leckrate und die Prüfmethode, die beides nachweist
• Konstruktionsablauf, da gelötet, reibgeschweißt und Rohr-in-Platte Die Konstruktionen unterscheiden sich hinsichtlich der erreichbaren Kanalgeometrie, der inneren Sauberkeit und der Reparierbarkeit.

Zwei dieser Faktoren sind entscheidend. Kühlmittelzusammensetzung und Einlasstemperatur werden zuerst festgelegt, da sie in alle nachfolgenden Berechnungen als Eingangsgrößen einfließen und Plattenmaterial, Verbindungsmethode und Anschlussarmaturen nach der Werkzeugherstellung nur schwer wirtschaftlich geändert werden können. Durchflussrate und Pumpendrehzahl sind Sollwerte und bleiben während der Inbetriebnahme anpassbar. Wir überprüfen Druckverlust und Durchflussverteilung über die parallelen Module bei der vorgegebenen Durchflussrate, bevor die Plattengeometrie endgültig festgelegt wird.

Überprüfung einer flüssigkeitsgekühlten Ladestation vor dem Versand

Die Abnahmeprüfung einer flüssigkeitsgekühlten Ladestation umfasst drei Punkte, auf die Feldausfälle zurückgeführt werden können: Temperaturanstieg bei Nennstrom, Integrität des Regelkreises unter Druck und Verhalten des Reglers bei nachlassender Kühlleistung.

Der Temperaturanstiegstest lässt die Baugruppe mit Nennstrom laufen, bis sich die Temperaturen stabilisiert haben. Anschließend wird der Temperaturanstieg an den Anschlüssen mit den Anforderungen der entsprechenden Typprüfung unter den angegebenen Bedingungen verglichen. Die Testbedingungen sind ebenso wichtig wie das Ergebnis. Ein Test bei 20 °C Umgebungstemperatur sagt wenig über einen Standort aus, der für 40 °C ausgelegt ist.

Die Überprüfung der Kreislaufintegrität beginnt mit einer Druck- und Dichtheitsprüfung an Anschlüssen und Kupplungen. Dabei wird auch geprüft, ob Kühlmittelleckagen im Betrieb erkennbar bleiben. Einige Steckverbinderkonstruktionen nutzen hierfür die Isolationsüberwachung der Station. Außenschränke sind starken Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht ausgesetzt. Schnellkupplungen und Schlauchbefestigungen an den Plattenanschlüssen erfordern hier eine genauere Überprüfung, da die thermische Belastung die Dichtungen lange vor Erreichen der Platte beeinträchtigt.

Das Verhalten des Reglers wird am häufigsten vernachlässigt. Bestätigen Sie ausschließlich gemäß dem vom Ladegeräthersteller genehmigten Validierungsverfahren, dass ein niedriger Durchfluss oder eine hohe Eingangstemperatur zu einer kontrollierten Reduzierung des Ausgangsstroms führt. Protokollieren Sie anschließend Durchfluss, Eingangs- und Ausgangstemperatur sowie Modultemperatur über einen gesamten Betrieb, um den Schwellenwert für die Leistungsreduzierung zu dokumentieren und nicht erst vor Ort zu ermitteln.

Ladeschnittstellenstandards und ihre Änderungen in den Jahren 2025–2026

Vier IEC-Dokumente regeln die Anforderungen an Temperaturanstieg und Wärmemanagement, die für Schnellladestationen gelten, und drei davon wurden zwischen November 2025 und April 2026 aktualisiert. Alle vier sind im IEC/CCS-Rahmenwerk verankert.

IEC 62196-1:2025, Ausgabe 5.0, veröffentlicht am 25. November 2025. Die allgemeine Anforderungsnorm für Stecker, Steckverbinder, Einlässe und Kabelbaugruppen für Elektrofahrzeuge deckt Spannungen bis 690 V AC bei bis zu 250 A und Spannungen bis 1.500 V DC bei bis zu 800 A ab. Sie ersetzt die vierte Ausgabe von 2022. Aktion: Bitte prüfen Sie, auf welche Ausgabe sich der Typprüfbericht für Steckverbinder bezieht, da die Klausel zur Temperaturerhöhung eine etwaige Reduktionsstrategie enthält.

IEC 62196-3:2026, Ausgabe 3.0, veröffentlicht am 23. April 2026. Die Maßkompatibilität für DC- und AC/DC-Koppler wurde mit dem Inhalt der IEC TS 62196-3-1, der Spezifikation für thermisch gesteuerte Koppler, als normativer Anhang AA integriert und die Nennwerte für alle Konfigurationen erhöht. Aktion: Bei gekühlten Kabelbaugruppen sollten Sie nach Beweisen gegen diese Ausgabe fragen, da die darin enthaltene technische Spezifikation nicht mehr für sich allein steht.

IEC TS 63379:2026, Ausgabe 1.0, veröffentlicht am 28. Januar 2026. Diese Spezifikation umfasst Steckverbinder, Fahrzeugeinlässe und Kabelkonfektionen für das Megawatt-Gleichstromladen bis zu 1500 V DC und 3000 A für Systeme mit thermischer Sensorik oder thermischer Transport- und thermischer Sensorik. Sie spezifiziert die Kupplung und die Kabelkonfektion, nicht jedoch eine komplette Ladestation. Aktion: Wenn Schwerlastfahrzeuge in die Nutzungsdauer des Geräts fallen, prüfen Sie, ob die Schnittstelle dieser Spezifikation entspricht, da ein reiner CCS-Schaltschrank nicht entsprechend umgerüstet werden kann.

IEC 61851-23-3, Anforderungen an die Ladestationen für Megawatt-Ladungen. Die Abstimmungsperiode des FDIS lief bis zum 22. Mai 2026. Aktion: Bevor Sie in einer Kaufspezifikation eine Ausgabe angeben, überprüfen Sie den aktuellen Veröffentlichungsstatus auf der IEC-Seite.

Entscheidung über die Verteilung des Kühlungsbudgets in einer Schnellladestation

Die Komplexität der Flüssigkeitskühlung für Schnellladestationen zeigt sich dort, wo die Leistungsgrenze zuerst erreicht wird. Zwei Dokumente bestimmen, welche Zone betroffen ist: die Kennlinie des Modulwirkungsgrades und die thermischen Daten der Kabelbaugruppe. Die Kühlleistung wird in Dauerstrom umgewandelt, und beide Zonen verlieren mit steigender Umgebungstemperatur an Leistungsreserve.

Die Kühlung, die lediglich bei Einlasstemperatur des Prüfstands überprüft wurde, erscheint in der Regel ausreichend, bis die erste Hitzewelle eintritt. Dann jedoch sind die Abfuhrkapazität und die zulässige Temperaturerhöhung der Anschlüsse am selben Nachmittag erschöpft. Durchflussraten, Kanalgeometrie und Kühlmittelwahl hängen weiterhin von der Verlustkennlinie des Moduls und den Auslegungsumgebungsbedingungen des jeweiligen Standorts ab.

Wenn Ihre Schaltschrankleistung 400 kW oder mehr beträgt und Ihre Auslegungsumgebungstemperatur im Sommer über 35 °C liegt, platzieren Sie die Modulverlustkennlinie neben der Einlasstemperatur, die Ihre Abscheideeinheit realistischerweise liefern kann. Diese Kombination wird für die Abstimmung verwendet. Wasser-Kühlplatten gegen, bevor die Geometrie festgelegt ist. Wenn der Zapfsäulenverbrauch unter 150 kW bleibt und die gleichzeitige Nutzung gering ist, sollte der luftgekühlte Schrank beibehalten und das Budget für den Netzanschluss verwendet werden.

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