Leistungselektronik und erneuerbare Energien

Mit der kontinuierlichen Optimierung der globalen Energiestrukturen und den Fortschritten bei den Technologien für erneuerbare Energien spielen Leistungselektronikkomponenten in neuen Energiesystemen eine zunehmend wichtigere Rolle. Von photovoltaik-Wechselrichter bis hin zu Windkraftanlagen, und weiter reichend zu energiespeichersystemen und Fahrzeugen mit alternativen Antrieben , sind Leistungselektronikbauelemente nahezu allgegenwärtig. Die Anforderungen an eine hohe Leistungsdichte, hohe Effizienz und eine verlängerte Nutzungsdauer führen jedoch dazu, dass diese Bauelemente während des Betriebs erhebliche Wärmemengen erzeugen. Wenn diese Wärme nicht effektiv abgeführt wird, verringert dies nicht nur die Effizienz der Bauelemente, sondern beeinträchtigt auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems erheblich. Daher kommt dem Design und der Anwendung von Kühlkörpern als zentralem Bestandteil des thermischen Managements in leistungselektronischen Systemen eine große Bedeutung für die Entwicklung der neuen Energiewirtschaft zu.

Leistungselektronikbauelemente wie IGBTs, MOSFETs und Leistungsdioden erzeugen unter Hochfrequenz- und Hochleistungsbedingungen erhebliche Wärme. Temperaturerhöhungen führen zu erhöhten Schaltverlusten, gesteigertem Leitwiderstand, beschleunigtem Altern der Halbleitermaterialien und können sogar einen thermischen Durchlauf auslösen. Daher dienen Kühlkörper in leistungselektronischen Systemen nicht nur als passive Kühlelemente, sondern als entscheidende Komponenten zur Sicherstellung der Systemstabilität, einer verlängerten Lebensdauer und einer verbesserten Effizienz. Insbesondere bei Anwendungen in der neuen Energietechnik, bei denen Leistungsbauelemente oft kontinuierlich unter wechselnden Umgebungstemperaturen betrieben werden, beeinflusst die Leistung des Kühlkörpers direkt den zuverlässigen Systembetrieb.

• Fotovoltaikwechselrichter

Photovoltaik-Wechselrichter bilden das Kernstück von Solar-PV-Anlagen und wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um. Leistungshalbleiter innerhalb der Wechselrichter erzeugen bei hochfrequenten Schaltvorgängen Wärme. Eine unzureichende thermische Management kann zu einer verringerten Effizienz des Wechselrichters oder sogar zu einem Abschalten führen. Häufig verwendete Kühlkörperformen sind stranggepresste Aluminiumkühlkörper und flüssigkeitsgekühlte Platten. Stranggepresste Aluminiumkühlkörper verbessern die Wärmeabfuhr durch optimierte Rippenstrukturen, wodurch natürliche Konvektion oder Zwangsluftkühlung ermöglicht wird. Flüssigkeitsgekühlte Platten hingegen nutzen zirkulierende Fluide zur Wärmeabfuhr und eignen sich daher für PV-Wechselrichter mit hoher Leistungsdichte oder für den Einsatz in geschlossenen Umgebungen.

• Ladestation für elektrische Fahrzeuge

Ladestationen erzeugen während der effizienten Energieübertragung erhebliche Wärme, wobei die Leistung des Kühlkörpers direkt Zuverlässigkeit, Sicherheit und Betriebslebensdauer bestimmt. Die Kernleistungsmodule (wie IGBTs oder SiC-MOSFETs) verursachen erhebliche Leistungsverluste beim Umwandeln von Netzwechselstrom in die für die Batterie erforderliche Gleichspannung, wobei diese Energie als Wärme abgegeben wird. Wenn diese Wärme nicht rechtzeitig abgeführt wird, überhitzen die Hauptkomponenten, was zu einer Verschlechterung der Effizienz, einem Leistungsabfall oder sogar zu dauerhaften Schäden führen kann. Ein effizientes thermisches Management ist grundlegend dafür, dass Ladestationen unter Hochtemperatur- und Volllastbedingungen stabil arbeiten und ihre Nennleistung (z. B. 120 kW, 360 kW oder höher) aufrechterhalten können, was sich direkt auf die Ladesicherheit und das Nutzererlebnis auswirkt.

Derzeit kommen bei dem thermischen Management von Ladestationen hauptsächlich zwei technische Ansätze zum Einsatz: Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung :

1. Luftkühlung mit Zwangsluft: Dies ist die übliche Lösung für frühe Generationen und mittlere bis niedrige Leistungs-Ladestationen. Das Prinzip besteht darin, die Kontaktfläche zwischen Leistungskomponenten und Luft durch Kühlrippen zu vergrößern und dann Gebläse zur erzwungenen konvektiven Wärmeübertragung einzusetzen. Diese Methode zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und geringere Kosten aus, weist jedoch begrenzte Kühlleistung auf, erzeugt nennenswerte Gebläsegeräusche und ist anfällig gegenüber Umgebungsschmutz, wodurch sie den Anforderungen einer weiter steigenden Leistungsdichte nur schwer gerecht wird.

2. Flüssigkeitsgekühlte Systeme: Bei Hochleistungs-Schnellladegeräten (typischerweise 150 kW und darüber) hat sich die Flüssigkeitskühlung als Standard durchgesetzt. Dieses System verwendet flüssigkeitsgekühlte Platten, die eng an wärmeentwickelnden Komponenten anliegen. Nach der Wärmeaufnahme transportiert das Kühlmittel diese zu einem entfernten Flüssig-flüssig- oder Flüssig-Luft-Wärmetauscher (Hauptkühler) zur Ableitung. Die Flüssigkeitskühlung übertrifft die Luftkühlung deutlich hinsichtlich Effizienz, benötigt weniger Bauraum, bietet eine geschlossene Abschirmung für kritische innere Bauteile und reduziert den Geräuschpegel erheblich. Derzeit wird bei Ultraladegeräten die Flüssigkeitskühlung sogar auf das Ladekabel der Ladespitze ausgedehnt, um unter hohen Strömen Sicherheit und ein geringes Gewicht sicherzustellen.

Die rasante Weiterentwicklung der Leistungselektronik und der neuen Energiesysteme stellt erhöhte Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Kühlkörpern. Durch optimiertes Design, sorgfältige Materialauswahl und intelligente Steuerung lösen Kühlkörper nicht nur effektiv Wärmemanagementprobleme, sondern steigern zudem die Systemeffizienz, verlängern die Lebensdauer von Bauteilen und fördern die nachhaltige Entwicklung neuer Energietechnologien. In Zukunft werden Kühlkörper, begleitet von kontinuierlichen Fortschritten in den Materialwissenschaften und der Wärmeabfuhrtechnik, unverzichtbare Kernkomponenten der neuen Energiewirtschaft werden und somit eine solide technische Grundlage für die Erreichung des Übergangs zu grüner Energie bieten.