Hochleistungs-Ladekabel und Verbinder (Stecker, Dose)

 

Vorweg: Die Entwicklung eines Hochleistungs-Ladekabels ergibt nur Sinn mit der gleichzeitigen Entwicklung eines entsprechenden Steckers. Dieser Stecker wiederum braucht eine Kupplung bzw. Dose - zusammengefasst benannt als "Verbinder" oder Stromverbindung.

 

Ladestecker

Ladebuchse

Problemstellung

Um bei der Elektromobilität an vergleichbare Leistungen zu kommen (hier ist Reichweite und Tank- bzw. Ladegeschwindigkeit gemeint), muss man vergleichbare Energiemengen in vergleichbarer Zeit übertragen und speichern (vergleichbar heißt 1/3 der Energiemenge wie beim "Sprit"-Auto - wegen der hohen Effizienz des Elektromotors). Bisher sind die Akkumulatoren mit hohem spezifischem Leistungsgewicht sowie die Ladezeit die maßgebliche Begrenzung. Je leistungsfähiger die Akkumulatoren werden, desto mehr rückt die Lade-Infrastruktur in den Focus, die die benötigte Energie in kurzer Zeit zur Verfügung stellen muss.

Interessant dabei ist der Benchmark mit dem tradierten System des Tankens von Sprit (Benzin oder Diesel). Dabei werden (typischerweise und grob vereinfacht) ca. 60 Liter Sprit in ca. einer Minute übergeben (gepumpt) - also ein Liter pro Sekunde. Ein Liter Sprit hat ca. 10 kWh Energieinhalt (43.000 kJ pro Kilogramm - umgerechnet in die gängige Volumen- und Stromeinheit).

Nun ist der Wirkungsgrad einer Kolbenkraftmaschine im Auto typischerweise ca. 33% und der einer Elektromaschine höher als 95%. Entsprechend braucht nur etwa 1/3 der Energie übertragen zu werden, um auf vergleichbare Reichweiten zu kommen. Beim genannten Beispiel wären das 20 x 10 kWh, also 200 kWh.

Das heißt 200 kW eine Stunde lang laden oder aber bei einer Ladezeit von 1 Minute braucht es für die gleiche Energiemenge:

60 x 200 kW ; also 12.000 kW oder 12.000.000 Watt

Dies ist ein enormer Energiefluss (Energie pro Zeit), der übertragen werden muss und damit werden die Akkumulatoren, das Netz, aber auch die Ladeeinrichtung vor enorme Herausforderungen gestellt. Selbst wenn man in den s.g. "Hochvoltbereich" geht und beispielsweise mit 1000 Volt übertragen würde, erfordert es immer noch sehr hohe Stromstärken, um diese Leistung zu übertragen.

Aufgrund der gängigen Formel W = V x A  wird schnell klar, dass bei dem gegebenen Beispiel 12.000 Ampere fließen müssten.

Zum Vergleich: eine Haushaltssteckdose ist bis maximal 16 Ampere abgesichert, ein Ein- bis Dreifamilienhaus hat eine Vorsicherung (Panzersicherung) von 80 bis 150 Ampere - die typischerweise nie ausgenutzt werden.

Nun würden 12.000 Ampere riesige Kabelquerschnitte und Kontaktflächen bedeuten. Selbst durch eine sehr performante Kühlung wäre dies nicht realistisch umzusetzen. So genannte Supraleiter könnten die Lösung sein, wenn diese zu vertretbaren Kosten verfügbar wären.

Das Beispiel macht offensichtlich, dass die Energiemenge für eine Standardreichweite von 600 km beim Elektroauto nicht so schnell geladen werden kann wie bei einem Spritauto. Dabei ist die Ladezeit auch durch die Zeiten begrenzt, in denen ein Akku noch geladen werden kann und es muss auch diese Energiemenge aus dem Netz verfügbar sein (für das Niederspannungsnetz schon eine echte Belastung!). Bei der Ladezeit bleibt aber vor allem das Ladekabel und der Stecker der Engpass!

Diesem "Engpass" haben wir uns gewidmet und eine Stromkupplung (Stecker und Dose) mit Kabel und Kühlung entwickelt.

Problemlösung

  • Das Kabel und der Stecker werden mittels Vor- und Rücklauf eines Fluids gekühlt
  • Das Fluid kann am Stecker (auf Wunsch) auch an die Buchse und damit an den Akku des Wagens weitergegeben werden, um dort zu kühlen 
  • Der mechanische Kontaktschluss erfolgt nicht mehr durch Einstecken eines zylindrischen Stiftes in ein zylindrisches Loch, sondern durch eine Spannschlaufe um einen Kontaktring 
  • Der Kraftschluss dieser Schlaufe erfolgt über einen sog. Kniehebelspanner
  • Am Stecker befindet sich ein Servo-Ventil in Form eines doppelten Kugelventils
  • Am Steckerende kann in konzentrischen Rohren das Fluid entweder an die Buchse übergeben werden oder (falls keine Übergabe an das Auto erwünscht ist) zurück geleitet werden
  • Der Fluss hin zum Stecker erfolgt durch eine Leitung, der Rückfluss erfolgt durch die Hohlräume der gedrehten (verseilten) Einzelkabel der Leiter
  • Es werden die Hauptleiter bewusst in viele Einzelkabel verteilt (und verseilt), um eine hohe Elastizität des Gesamtkabels zu erreichen

Vorteile

  • Mit den großen Kontaktflächen und der gleichsamen Kühlung können hohe Ströme (und damit viel Energie pro Zeit) übertragen werden
  • Der Akku wird gekühlt und wird geschont
  • Das Einstecken des Steckers in die Buchse und das Herausziehen erfolgen nahezu kraftlos, weil reibungsfrei
  • Der eigentliche Kontaktschluss erfolgt über die Kniehebelspanner mittels Servo und bildet damit einen gesteuerten Kontakt und bietet damit auch zusätzliche Sicherheit
  • Der Stecker hat die Kontaktflächen für die wesentliche Stromübertragung an seiner zylindrischen Außenseite und zwar mehrere Bänder
  • Dieser Teil wird geschützt durch einen Kunststoff-Zylinder, der auf einem Gewinde mittels Servo zurückgedreht wird, sobald der Stecker in die Buchse gesteckt wird
  • An der Vorderseite des Zylinders werden nur Kontrollströme übertragen (CP und PP) sowie das Fluid