Das Wichtigste in Kürze

combustion and flow solutions hat die Temperaturverteilung und den Druckbedarf eines flüssigkeitsgekühlten Ladekabels für High Power Charging (HPC) und Megawatt Charging (MWC) mit einer 3D-CFD-Simulation untersucht. Verglichen wurden direkte und indirekte Kühlung sowie unterschiedliche Kühlmedien und Betriebsbedingungen.

• Steckertemperatur: Mit dem optimierten Kühlkonzept konnte die maximale Steckertemperatur um bis zu 35 °C bzw. 28 % reduziert werden.
• Lebensdauer: Aus der Temperaturabsenkung wurde für die untersuchte Anwendung eine 2- bis 5-fach höhere Lebensdauer abgeleitet.
• Pumpendruck: Mit einem niedrigviskosen Kühlmedium sank der benötigte Pumpendruck um bis zu 9 %.
• Pumpenergie: Bei vergleichbarem Volumenstrom entspricht der geringere Druckbedarf näherungsweise einem entsprechend geringeren Energiebedarf für die Förderung des Kühlmediums.
• Kühlkonzept: Die direkte Kühlung (DI) erwies sich aus thermischer Sicht als effizienter als die indirekte Kühlung (IDI).

Ausgangslage: Warum die Kühlung von HPC- und MWC-Ladekabeln entscheidend ist

Kürzere Ladezeiten in der Elektromobilität erfordern höhere Ladeleistungen und damit eine steigende Leistungsdichte in Ladekabel und Stecker. Gleichzeitig sollen Gewicht, Bauraum und Kosten möglichst niedrig bleiben.

Mit steigender Leistungsdichte nimmt jedoch auch die thermische Belastung zu. Ein geeignetes Kühlkonzept ist deshalb entscheidend, um die Temperaturen im Kabel und insbesondere im Steckverbinder zu begrenzen und einen zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen.

Die CFD-Simulation macht Temperatur-, Strömungs- und Druckverhältnisse innerhalb des Systems sichtbar, ohne dafür jede Geometrie- oder Betriebsvariante zunächst physisch aufbauen zu müssen.

Die allgemeine Beschreibung der CFD-Leistung entspricht auch dem aktuellen Leistungsschwerpunkt von combustion and flow solutions auf Strömung, Wärmeübertragung und thermodynamische Simulation.

Ziele der CFD-Untersuchung

Die Untersuchung verfolgte drei zentrale Ziele:

• Temperaturverteilung in Ladekabel und Stecker für direkte und indirekte Kühlung analysieren.
• Unterschiedliche Kühlmedien und Betriebsbedingungen vergleichen.
• Eine vereinfachte und flexible CFD-Konfiguration verwenden, mit der sich Geometrien, Fluideigenschaften und Lastpunkte effizient variieren lassen, ohne vertrauliche Kundengeometrien offenzulegen.

CFD-Modell des gekühlten Ladekabels

Für die Untersuchung wurde eine vereinfachte Geometrie des Ladekabels und Steckers aufgebaut. Das Modell enthält die für den thermischen und hydraulischen Vergleich relevanten Komponenten wie Leiter, Stecker, Gehäuse und Kühlkanäle.

Durch die vereinfachte Geometrie können unterschiedliche Kühlkonzepte, Kühlmedien und Betriebszustände systematisch miteinander verglichen werden.

Direkte und indirekte Kühlung im Vergleich

Direkte Kühlung (DI)

Bei der direkten Kühlung steht das Kühlfluid unmittelbar mit den zu kühlenden heissen Bauteilen in Kontakt. Dadurch kann Wärme direkt vom Bauteil an das Fluid übertragen werden.
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Indirekte Kühlung (IDI)

Bei der indirekten Kühlung befindet sich zwischen Leiter beziehungsweise Stecker und Kühlfluid eine elektrische Isolation. Diese Isolation erfüllt ihre elektrische Funktion, wirkt gleichzeitig jedoch auch als thermischer Widerstand und reduziert dadurch den Wärmestrom zum Kühlfluid.

Genau dieser Unterschied war für die untersuchten Temperaturverhältnisse entscheidend.

Einfluss des Kühlmediums

Neben dem Kühlkonzept wurden unterschiedliche Fluideigenschaften untersucht. Besonders relevant für den hydraulischen Druckbedarf ist die Viskosität des Kühlmediums.

Eine geringere Viskosität führt bei vergleichbaren Bedingungen zu einem niedrigeren erforderlichen Einlassdruck. Gleichzeitig müssen für die thermische Bewertung weitere Stoffeigenschaften des Kühlmediums berücksichtigt werden.

Randbedingungen der 3D-CFD-Simulation

Für die Berechnung wurden die thermischen, hydraulischen und elektrischen Randbedingungen des Systems definiert. Dazu gehören unter anderem Umgebungstemperatur, Kühlfluidtemperatur, Volumenstrom und elektrische Belastung.

Die Randbedingungen können innerhalb des CFD-Modells variiert werden, um unterschiedliche Betriebszustände und kundenspezifische Anwendungen zu untersuchen.

Ergebnis 1: Direkte Kühlung reduziert die Steckertemperatur

Die CFD-Ergebnisse zeigen die Temperaturverteilung im Kühlfluid und in den festen Komponenten des Kabels und Steckers.

Bei der indirekten Kühlung reduziert die elektrische Isolation den Wärmestrom vom heissen Leiter zum Kühlfluid. Dadurch liegt die Steckertemperatur bei allen untersuchten Volumenströmen höher als bei der direkten Kühlung.

Das gleiche qualitative Verhalten wurde auch bei einer Variation der Umgebungstemperatur beobachtet.

Mit dem optimierten Kühlkonzept konnte die maximale Steckertemperatur in der untersuchten Konfiguration um bis zu 35 °C beziehungsweise 28 % reduziert werden.

Ergebnis 2: Bis zu 9 % weniger benötigter Pumpendruck

Neben der thermischen Leistung wurde der hydraulische Druckbedarf untersucht.

Die Ergebnisse zeigen: Ein Kühlmedium mit niedrigerer Viskosität benötigt bei vergleichbaren Bedingungen einen geringeren Einlassdruck. Für die untersuchte Konfiguration konnte der erforderliche Pumpendruck um bis zu 9 % reduziert werden.

Bei gleichem Volumenstrom und vergleichbarem Pumpenwirkungsgrad bedeutet ein um 9 % geringerer Druckbedarf näherungsweise auch einen entsprechend geringeren hydraulischen Leistungsbedarf. Der tatsächliche Energiebedarf des gesamten Kühlsystems hängt jedoch zusätzlich von Pumpe, Wirkungsgrad, Betriebspunkt und den übrigen Druckverlusten des Systems ab.

Was bedeutet die Temperaturabsenkung für die Lebensdauer?

Eine geringere maximale Bauteiltemperatur reduziert die thermische Belastung von Kontakten, Isolationen, Dichtungen und weiteren Komponenten des Stecksystems.

Für die untersuchte Anwendung wurde aus der erzielten Temperaturabsenkung eine 2- bis 5-fach höhere Lebensdauer abgeleitet. Diese Angabe ist eine projektspezifische Bewertung der untersuchten Temperaturreduktion und keine pauschale Lebensdauergarantie für jedes HPC- oder MWC-Ladekabel.

Ergebnis der CFD-Fallstudie

Die Untersuchung zeigt, dass das Kühlkonzept und die Auswahl des Kühlmediums die thermische und hydraulische Performance eines flüssigkeitsgekühlten HPC/MWC-Ladekabels deutlich beeinflussen.

Für die untersuchte Konfiguration ergaben sich drei zentrale Optimierungspotenziale:

• bis zu 35 °C beziehungsweise 28 % niedrigere maximale Steckertemperatur
• daraus abgeleitet eine 2- bis 5-fach höhere Lebensdauer
• bis zu 9 % geringerer benötigter Pumpendruck mit niedrigviskosem Kühlmedium

Aus Kühlsicht erwies sich die direkte Kühlung als effizienter als die untersuchte indirekte Kühlung. Gleichzeitig zeigt die Analyse, dass nicht nur die maximale Temperatur, sondern auch Pumpenleistung, Kühlmedium, elektrische Isolation und Betriebsbedingungen gemeinsam betrachtet werden sollten.

CFD-Simulation für die Entwicklung von HPC- und MWC-Ladesystemen

combustion and flow solutions unterstützt Entwicklungsteams mit CFD-Simulationen für Strömung, Wärmeübertragung und thermodynamische Prozesse. Geometrie, Kühlmedium und Betriebsbedingungen können virtuell untersucht und Optimierungspotenziale bereits vor dem Bau weiterer Prototypen sichtbar gemacht werden.

Häufige Fragen zur CFD-Simulation von gekühlten Ladekabeln

Was wurde in dieser CFD-Studie untersucht?

Untersucht wurden die Temperaturverteilung und der benötigte Einlassdruck eines flüssigkeitsgekühlten HPC/MWC-Ladekabels. Verglichen wurden direkte und indirekte Kühlung, unterschiedliche Kühlmedien sowie verschiedene Betriebsbedingungen.
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Welche Kühlung war effizienter?

In der untersuchten Konfiguration war die direkte Kühlung aus thermischer Sicht effizienter. Bei der indirekten Kühlung wirkt die elektrische Isolation zusätzlich als thermischer Widerstand und reduziert den Wärmestrom zum Kühlfluid.
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Wie stark konnte die Steckertemperatur reduziert werden?

Mit dem optimierten Kühlkonzept wurde die maximale Steckertemperatur um bis zu 35 °C beziehungsweise 28 % reduziert.
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Wie lässt sich der Pumpendruck reduzieren?

In der untersuchten CFD-Konfiguration führte ein Kühlmedium mit niedrigerer Viskosität zu einem geringeren benötigten Einlassdruck. Die Reduktion betrug bis zu 9 %.
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Warum ist CFD für HPC- und MWC-Ladekabel sinnvoll?

CFD macht Strömungs-, Temperatur- und Druckverhältnisse innerhalb des Kühlsystems sichtbar. Dadurch lassen sich unterschiedliche Geometrien, Kühlkonzepte, Fluideigenschaften und Betriebsbedingungen virtuell vergleichen.