Artikel mit freundlicher Genehmigung von Purdue Universität.
WEST LAFAYETTE, Indiana – Ingenieure der Purdue University haben ein neues, zum Patent angemeldetes Ladestationskabel erfunden, mit dem bestimmte Elektrofahrzeuge in weniger als fünf Minuten vollständig aufgeladen werden können – ungefähr so lange wie das Auffüllen eines Benzintanks.
Heutzutage sind Ladegeräte aufgrund der Überhitzungsgefahr begrenzt in der Geschwindigkeit, mit der die Batterie eines Elektrofahrzeugs geladen werden kann. Um ein Elektrofahrzeug schneller aufzuladen, muss ein höherer Strom durch das Ladekabel fließen. Je höher der Strom, desto mehr Wärme muss abgeführt werden, um das Ladekabel betriebsbereit zu halten. Die Kühlsysteme, die Ladegeräte derzeit verwenden, führen nur eine begrenzte Menge Wärme ab.
Unter Verwendung einer alternativen Kühlmethode haben die Purdue-Forscher ein Ladekabel entwickelt, das einen Strom liefert, der das 4,6-fache der derzeit schnellsten verfügbaren EV-Ladegeräte auf dem Markt liefert, indem er bis zu 24,22 Kilowatt Wärme abführt. Das Projekt wurde durch ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt finanziert Allianz zwischen Ford Motor Co. und Purdue.
Die Ladezeit von Elektrofahrzeugen kann heute stark variieren, von 20 Minuten an einer Station neben einer Fahrbahn bis zu Stunden an einer Ladestation zu Hause. Wartezeiten und der Standort des Ladegeräts werden beide als Hauptursachen für Angst bei Menschen genannt, die den Besitz von Elektrofahrzeugen in Betracht ziehen.
„Mein Labor ist darauf spezialisiert, Lösungen für Situationen zu entwickeln, in denen die erzeugten Wärmemengen die Möglichkeiten der heutigen Technologien zum Abführen weit übersteigen“, sagte Issam Mudawar, Betty Ruth von Purdue und Milton B. Hollander Family Professor of Maschinenbau.
Ein neues Ladekabel-Design, das von Purdue-Professor Issam Mudawar (Mitte) und seinen Studenten entwickelt wurde, könnte die Ladezeit eines Elektrofahrzeugs auf unter fünf Minuten verkürzen. (Purdue University Foto/Jared Hecht)
„Ford ist bestrebt, den Übergang zur Elektrifizierung zu vereinfachen“, sagte Matt Stover, Director of Charging, Energy Services and Business Development bei Ford. „Wir freuen uns, die Forschung von Purdue zu unterstützen, die das Potenzial hat, den Besitz von Elektrofahrzeugen und gewerblichen Flotten attraktiver und zugänglicher zu machen.“
Obwohl der Prototyp noch nicht an Elektrofahrzeugen getestet wurde, demonstrierten Mudawar und seine Studenten im Labor, dass ihr Prototyp einen Strom von über 2.400 Ampere aufnehmen kann – weit über dem Minimum von 1.400 Ampere, das erforderlich wäre, um die Ladezeiten für große kommerzielle Elektrofahrzeuge zu verkürzen bis fünf Minuten. Die fortschrittlichsten Ladegeräte der Branche liefern nur Ströme bis zu 520 Ampere, und die meisten für Verbraucher verfügbaren Ladegeräte unterstützen Ströme von weniger als 150 Ampere.
Letztendlich hängen die Ladezeiten von der Ausgangsleistung des Netzteils und des Ladekabels sowie der Eingangsleistung der Batterie des Elektrofahrzeugs ab. Um eine Ladung unter fünf Minuten zu erhalten, müssen alle drei Komponenten auf 2.500 Ampere ausgelegt sein.
Der Prototyp ahmt auch alle Eigenschaften einer realen Ladestation nach: Er enthält eine Pumpe, einen Schlauch mit dem gleichen Durchmesser wie ein echtes Ladekabel, die gleichen Bedienelemente und Instrumente und hat die gleichen Durchflussmengen und Temperaturen.
Das Labor von Mudawar beabsichtigt, mit Herstellern von Elektrofahrzeugen oder Ladekabeln zusammenzuarbeiten, um den Prototyp innerhalb der nächsten zwei Jahre an Elektrofahrzeugen zu testen. Die Tests werden weitere Details zu den Ladegeschwindigkeiten für bestimmte Modelle von Elektrofahrzeugen bestimmen. Ein Video zum Projekt ist verfügbar auf Youtube.
Entfernen von mehr Wärme, um die Ladezeit von Elektrofahrzeugen zu verkürzen
EV-Ladestationen und andere Arten von Elektronik sind auf Flüssigkeitskühlsysteme angewiesen, um die Wärme aus ihren Kabeln abzuleiten. Das Erhöhen des Stroms durch ein Ladekabel mit dieser Methode würde größere leitfähige Drähte und mehr flüssiges Kühlmittel erfordern, wodurch das Kabel schwerer und für den Kunden schwieriger zu handhaben wäre.
Seit 37 Jahren, hat Mudawar Wege zur effizienteren Kühlung von Elektronik entwickelt, indem es sich zunutze macht, wie Flüssigkeit beim Sieden in Dampf Wärme einfängt. Durch die Aufnahme von Wärme sowohl in flüssiger als auch in dampfförmiger Form kann ein Flüssigkeits-zu-Dampf-Kühlsystem mindestens 10-mal mehr Wärme abführen als eine reine Flüssigkeitskühlung.
Diese Kühlvorteile ermöglichen es, einen kleineren Drahtdurchmesser innerhalb des Ladekabels zu verwenden und gleichzeitig einen höheren Strom abzuleiten. Forschungsarbeiten zum Team experimentelle Demonstration des Ladekabel-Prototyps und der Kühlungsmethode es verwendet wurden im . veröffentlicht Internationale Zeitschrift für Wärme- und Stoffübertragung.
Ein von Purdue entwickeltes Prototyp-Ladekabel kann einen viel höheren Strom aufnehmen als die leistungsstärksten Ladegeräte für Elektrofahrzeuge der Branche. Eine Version dieses Diagramms erscheint in einem von Experten begutachteten Artikel, der im International Journal of Heat and Mass Transfer veröffentlicht wurde. (Bild der Purdue University/Issam Mudawar)
Trotz jahrzehntelanger Forschung zur Flüssigkeits-zu-Dampf-Kühlung hat noch keine Industrie damit begonnen, diese Systeme einzusetzen, da Studien wie die von Mudawars Labor durchgeführt werden müssen, um zu verstehen, wie die Technologie am besten implementiert werden kann.
„Die Branche hat eine Wissens- und Kompetenzlücke, die benötigt wird, um von der reinen Flüssigkeitskühlung auf die flüssige Phasenwechselkühlung umzustellen. Wie gestalten Sie das System? Welche Art von Gleichungen verwenden Sie, um es zu optimieren? Aber wir haben dieses Wissen durch unsere umfangreiche Forschung“, sagte Mudawar.
Jenseits von Elektrofahrzeugen: Flugzeuge und Raumfahrzeuge
Basierend auf dem, was Mudawar und seine Studenten bei experimentellen Demonstrationen ihres Prototyps beobachteten, ist die Flüssigkeits-zu-Dampf-Kühlung bei der Ableitung großer Wärmemengen so effektiv, dass Elektrofahrzeuge mit dieser Technologie in weit weniger als fünf Minuten aufgeladen werden könnten.
„Die Industrie braucht Elektroautos nicht wirklich, um schneller als fünf Minuten aufzuladen, aber wir glauben, dass wir den Strom noch weiter erhöhen können, indem wir sowohl den Zustand der einströmenden Flüssigkeit als auch das Design des Kühlraums um die Leiterdrähte im Ladekabel ändern “, sagte Mudawar.
Die Fähigkeit des Prototyps, weit mehr Wärme abzuführen als andere Ladegeräte, war für Mudawar keine Überraschung. „Mein Labor hat Lösungen mit Flüssigphasenwechsel-Technologie für viele Anwendungen entwickelt, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung. Wir wussten, wie leistungsfähig die Technologie ist“, sagte er.
Ähnlich wie beim Prototyp des EV-Ladekabels ermöglichen die Systeme, die Mudawars Labor für Flugzeuge entwickelt hat, der Avionik große Wärmemengen abzuleiten und ihre Leistung zu steigern. Mudawar hat auch Projekte, die von der NASA finanziert werden, um die Kühlleistung von Raketentriebwerken und Raumfahrzeugen zu steigern.
Die Forscher haben ihre Ladekabel-Erfindung zum Patent angemeldet Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization und suchen zusätzliche Industriepartner, um die Entwicklung der Technologie fortzusetzen.
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